背板层间粘结性能对SiC UHMWPE复合装甲防弹性能影响的数值分析.pdf

第 卷 第 期 年 月现代纺织技术 .:.背板层间粘结性能对 复合装甲防弹性能影响的数值分析汪勇峰蒋培清张 波蔡俊东张华鹏(.浙江理工大学纺织科学与工程学院(国际丝绸学院)杭州 .浙江省现代纺织技术创新中心浙江绍兴 .惠州学院旭日广东服装学院广东惠州 .上海联博安防器材股份有限公司上海)摘 要:为了提高轻型复合装甲弹道防护能力基于显示动力学有限元分析程序采用 接触方法建立不同粘结条件下 复合装甲抗.穿甲燃烧弹的弹道侵彻模型研究了 复合装甲中复合材料背板粘结性能对复合装甲弹道性能、弹道极限速度、能量吸收和损伤模式的影响 结果表明:随着粘结性能提高 复合装甲的弹丸停止时间缩短背板鼓包高度降低弹道极限速度降低随着粘结性能减弱复合材料背板分层更加明显更多复合材料以拉伸方式变形破坏吸收更多的弹体动能关键词:复合装甲数值模拟层间粘结性能弹道性能复合材料分层中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:网络出版日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:汪勇峰()男安徽宣城人硕士研究生主要从事复合材料方面的研究通信作者:张华鹏:.近年来研究人员对轻型装甲系统的防动能弹体侵彻性能进行了大量研究一些轻型铝合金、钛合金、陶瓷和纤维增强复合材料等先进材料被用于轻型装甲的研发上 超高分子量聚乙烯纤维()是一种高强度纤维其可制成低质量、高强度、抗冲击的复合材料但存在抗压、抗剪性能低的局限性这一局限性使得 复合材料在某些情况下无法单独作为防弹材料使用 自 等报道陶瓷复合装甲的研究以来有关陶瓷复合装甲试验及数值模拟的研究不断拓展 陶瓷复合装甲是将陶瓷与其他多层不同材料堆叠复合在一起通过不同层与层之间及不同材料对动能弹体的抗侵彻作用解决上述单一材料的问题 因此以陶瓷材料作为面板与纤维增强复合材料作为背板组成的复合装甲体系已经成为当前研究与应用的一个重要方向 王东哲等通过实验和数值模拟系统研究了陶瓷纤维复合装甲各层对弹丸的作用机理并验证了数值模拟方法的可靠性 等系统研究了碳化硅()陶瓷形状对 复合装甲抗穿甲弹的弹道性能影响并详细阐明了复合装甲的弹道侵彻过程 刘迪等将 陶瓷与超高分子量聚乙烯相结合从试验与数值模拟两个层面研究了硬软结构复合装甲的防护性能复合装甲的抗侵彻性能不仅仅与装甲自身材料性质相关而且与材料间的粘结性能有关 等对 复合装甲的模拟分析数据表明 陶瓷与 背板之间的粘结对背板变形和装甲防弹能力有明显影响 近年来有关粘结性能对复合装甲防护性能影响的相关研究中以陶瓷与背板间粘结作用的研究报道为主而复合材料背板的层间粘结作用鲜有系统研究报道 在纤维增强复合材料广泛应用于复合装甲设计使用的今天对于纤维增强复合材料层合板层间粘结性能的研究具有愈发重要的意义本文以 陶瓷作为迎弹陶瓷层 纤维增强复合材料层合板为背板设计并建立了 纤维复合材料装甲模型利用有限元分析软件 对不同层间粘结参数的 层合板复合装甲受.穿甲燃烧弹冲击侵彻过程进行数值模拟计算分析探究了复合材料背板粘结参数对陶瓷基复合材料装甲抗侵彻性能的影响 本文研究可以为复合材料作为背板的复合装甲设计、材料选择及粘结数值模拟提供参考 数值模拟模型.模型建立弹道数值模拟的模型包括弹丸和靶板两个部分弹丸采用 式.穿甲燃烧弹其弹头由穿甲钢芯、覆铜钢被甲及铅质衬套组成其中穿甲钢芯直径.长.质量.为减少计算量对衬垫及被甲的头部圆角进行了简化同时未考虑燃烧剂对实验的影响 靶板迎弹面为陶瓷层材料为碳化硅厚度为 底层为背板层由 纤维单向()热塑性层压复合材料制成总厚度 靶板总体外形尺寸为 陶瓷层采用 正四边形陶瓷片拼接而成模型采用拉格朗日算法用 节点六面体实体单元对模型进行网格划分另将弹着点附近区域的网格细化细化区域的单元尺寸大小设置为.在背板两侧边缘施加固支边界条件以限制其空间自由度模拟靶板两端固定的状况 本模型中弹丸与靶板之间的接触以及弹丸各部分之间的接触均采用自动面面侵蚀接触()当接触单元失效删除后可以自动建立新的接触面 复合材料背板采用三维应力实体单元由于单层厚度相当小因此采用亚层()方式建模复合材料背板层与层之间采用 接触来模拟层间粘结该层间 接触采用与 相同的层间变形、失效与破坏模型即 中的 ()模型 陶瓷与 复合材料背板之间的粘结采用 接触来模拟采用环氧树脂粘结性能参数 采用考虑到材料的本构模型、荷载及约束均具有对称性为节约模拟计算的成本采用 有限元模型进行侵彻过程计算整体模型如图 和图 所示图 .枪弹 模型.图 复合装甲 模型.现代纺织技术第 卷.材料本构模型及参数.陶瓷材料模型及参数陶瓷 采 用 塑 性 损 伤 模 型()该模型考虑了脆性陶瓷材料的强度与静水压力相关性、应变率效应、损伤后可继续承受静水压(损伤膨胀)特性以及塑性损伤累积效应模型参数见表.背板材料模型及参数 是一种可用于单向和织物增强复合材料的渐进损伤模型该模型通过改进 复合材料失效准则可模拟分析纤维方向与横向、厚度方向压溃破坏和基体面内与层间破坏等七种破坏与失效模式并考虑了材料的应变率效应和基于损伤力学的非线性渐进损伤效应本文采用此模型来模拟 纤维复合材料背板在弹丸高速冲击下的响应模型具体参数如表 所示.弹丸材料模型及参数弹丸由穿甲钢芯、铅衬套及覆铜钢被甲 个部件构成 穿甲钢芯为弹丸的主要侵彻体和毁伤单元采用修正的 本构模型 并配合 断裂准则来模拟 铅套及被甲对侵彻作用较小考虑采用简化的 模型简化后的 模型忽略了热软化和损伤且不需使用状态方程提高了模拟计算的工作效率 弹丸各部件材料参数见表、表 表 模型参数.参数数值参数数值密度()弹性极限 剪切模量 弹性极限下压力分量 未损伤强度参数 损伤常数.断裂强度参数 损伤常数.强度系数.体积模量 强度系数 压力系数 强度系数.压力系数 表 模型参数.参数数值参数数值密度()横向剪切强度 弹性模量 横向剪切强度 弹性模量 压缩强度残余因子.弹性模量 材料模型(正交单层)泊松比 分层破坏库伦摩擦角泊松比.分层判据比例因子 泊松比.模量最大折减系数.面内剪切模量.单元失效轴向应变.横向剪切模量.单元失效体积压应变.横向剪切模量.单元失效体积膨胀应变 纵向拉伸强度 强度应变率效应.纵向抗压强度 轴向模量应变率效应.横向拉伸强度 剪切模量应变率效应.横向抗压强度 横向模量应变率效应.厚度方向抗拉强度 轴向损伤软化系数 纤维压溃强度 横向损伤软化系数 纤维剪切强度 纤维压溃损伤软化系数 面内剪切强度 分层软化系数.第 期汪勇峰 等:背板层间粘结性能对 复合装甲防弹性能影响的数值分析表 弹丸钢芯模型参数.参数数值参数数值密度()熔点弹性模量 屈服应力.泊松比.硬化参数.比热()硬化参数.系数c.应变率敏感系数.热膨胀系数a.热软化系数.参考应变率e 失效参数 表 弹丸被甲及铅套模型参数 名称密度()模量泊松比应力常数 应力常数 应变指数 应变率系数 被甲.铅套.防弹性能影响规律的数值模拟为了研究粘结性能对陶瓷复合装甲抗侵彻性能的影响在弹丸初速度 情况下以上述有限元模型为基础共设计并建立了 组具有不同粘合力参数的有限元模型(粘结性能由模型 依次增大)得到 组对照试验具体如表 在本节中根据模拟仿真结果分析研究了 纤维复合材料复合装甲的弹道性能、弹道极限速度、能量吸收和损伤模式并从以上各角度对比分析不同粘结性能复合装甲的性能差异.数值模型可靠性验证为了确保数值模拟结果的准确性需基于试验结果对数值模拟方法进行可靠性验证 由于试验样品材料性质与上述模型 相近选取模型 的数值模拟结果与试验结果进行对比 图 为背板背弹面的实验与模拟结果对比图可见模拟所得结果中背板的形态以及鼓包均与试验所得相符合表 实验分组情况.模型法向失效应力 切向失效应力 法向能量释放率(.)切向能量释放率(.).模型 弹丸初速为 弹丸未穿透使用 软件提取模拟结果文件使用 功能量取背板背弹面最大位移节点的位移量(鼓包高度)其结果为.对试验样品进行大量重复试验观察其穿透情况并测量背板鼓包高度(通过测量复合装甲背部设置的标准胶泥的最大凹陷深度而得)表 给出其中 次试验结果 在弹速 范围内弹丸均未穿透 次试验的鼓包高度的平均值为.综上可以看出数值模拟结果与试验结 果 相 比 误 差 较 小 证 明 了 模 型 分 析 的 可行性现代纺织技术第 卷图 背板背弹面形貌试验与数值模拟对比.表 穿透情况与背板鼓包高度的试验结果.编号试验弹速()试验结果穿透情况鼓包高度未穿透.未穿透.未穿透.未穿透.未穿透.未穿透.弹道性能图 是弹丸的速度时间历程曲线由图 可知弹丸接触装甲后其速度开始以近似线性关系迅速下降.左右时弹丸穿透陶瓷层达到与过渡层的接触界面弹丸速度下降趋势放缓在一个短暂的时间内速度几乎维持不变弹丸进入背板层后随着复合材料层合板的破坏逐渐加大弹丸速度的下降趋势逐渐放缓速度曲线趋于平缓直至稳定对比图()()发现各模型弹丸速度降低至零所用时间不同且依次减小粘结性能最弱时所用时间最多为.而粘结性能最强时所需时间最少为.可知粘结性能在一定程度上影响了弹丸速度消耗的时间但这种影响较小 同样地根据图()()发现各模型弹丸穿透复合装甲后的剩余速度依次增大其中模型 剩余速度仅为 而模型 弹丸剩余速度高达 第 期汪勇峰 等:背板层间粘结性能对 复合装甲防弹性能影响的数值分析 图 弹丸的速度时间历程曲线.图 为模型 背板背面最大挠度节点位移时间历程曲线随着弹丸侵彻不断加深节点发生位移且在弹丸动能耗尽的瞬间达到最大值 对比发现各模型背板鼓包高度存在明显差异粘结性能越低的模型其背板鼓包高度越大图 不同模型背板位移最大节点位移时间历程曲线.综上可知在弹丸初速为 时模型 均可抗弹丸侵彻穿透其中模型 背板鼓包高度最小、弹丸速度降为零所需时间最少而模型、抗侵彻性能较弱又以模型 的性能表现最差 以上分析表明在一定粘结性能范围内复合装甲抗侵彻表现均较好当超过这一范围时其性能将急剧下降以至于完全丧失对弹丸的拦截能力此时粘结性能越强抗侵彻性能越弱.弹道极限速度弹道极限速度被广泛用于防弹材料的性能表征对上述 个模型在 速度区间内以不同速度的梯度值作为弹丸初始速度建立若干模型并进行数值模拟计算 记录各个模型在一系列不同初速冲击下的弹丸剩余速度并对弹丸剩余速度初始速度曲线进行拟合最终得到弹道极限速度 本研究采用的初始速度剩余速度经验模型是 基于大量实验结果提出的形式如式():()()现代纺织技术第 卷式中:、分别为弹丸剩余速度、初始速度及复合装甲弹道极限速度 为常数图 给出弹丸初始速度剩余速度模拟值及在此基础上根据式()得到的拟合曲线该曲线与横坐标(初始速度)的交点即为弹道极限速度 各模型的弹道极限速度如图 所示 从图 中可以看出 个模型的弹道极限速度逐次降低模型 的弹道极限速度最高达 模型 的弹道极限速度最低仅为 也即粘结性能最小时其相应模型的弹道极限速度最高而粘结性能较大时模型的弹道极限速度反而较小且粘结参数相差较大时弹道极限速度差距悬殊 比较说明复合装甲的弹道极限速度与粘结性能强弱呈负相关复合材料背板层间粘结性能越强则弹道极限速度越低 因此可以总结出复合装甲的抗侵彻性能与复合材料背板层间粘结性能同样呈现负相关较低的粘结性能反而能够提高复合装甲的抗侵彻性能 图 弹道极限速度拟合曲线.第 期汪勇峰 等:背板层间粘结性能对 复合装甲防弹性能影响的数值分析图 弹道极限速度比较.能量吸收率根据能量守恒整个数值模拟过程中的能量是守恒的装甲系统的破坏作用所需要的能量都来自于弹丸的动能变化将弹丸动能减少量与弹丸动能初始值的比值作为复合装甲模型的能量吸收率 在 基础上以 的增量得到新的初始速度、以此对模型 中的参数进行修改并重新进行数值模拟计算得到不同速度条件下 个模型的能量吸收率如图 所示在图 中对比装甲的总能量吸收率数值可以发现在 速度条件下模型、的总能量吸收率达到 而模型、均不足 且逐次递减 这一发现说明模型、达到了拦截弹丸的目的防弹性能明显优于其余 种模型且模型、中又以模型 的防弹性能最弱 同样地在、速度条件下此规律同样适用 背板材料间的粘结性能在一定程度上影响着复合装甲的吸能性能当粘结性能在适当的范围内复合装甲吸能作用性能较好但超过这一范围时其吸能作用性能急剧下降且粘结越强弹丸动能吸收能力越弱图 各模型在不同速度条件下的能量吸收率.背板的损伤与破坏 复合材料背板在弹丸冲击贯穿陶瓷过程中由于冲塞作用而首先发生局部鼓包变形如图()所示此时对于较低层间粘结性能的背板局部鼓包变形区域发生分层 在弹丸贯穿陶瓷后剩余弹丸直接和背板接触背板通过拉伸、压缩、剪切、分层损伤与破坏进一步吸收弹丸剩余动能如图()所示 图 为模型中心区域 范围内 背板在不同冲击时刻变形图可以看出弹丸侵彻复合材料背板过程中在背板背面厚度约 处发生主界面分层且界面粘结性能较弱的模型其主分层区域明显大于粘结性能较强的模型这是由于 纤维及其复合材料的拉伸性能远大于其剪切和压缩性能在弹丸横向冲击作用下界面粘结性能较弱时复合材料内局部的剪切和压缩作用会转变为纤维复合材料的拉伸断裂因此较弱的界面粘结会促使拉伸断裂区域的扩大 同时较弱的层间粘结性能可以保证复合材料背板在分层图 模型 弹丸冲击复合装甲不同时间变形.现代纺织技术第 卷图 背板变形.后更多的未破坏材料通过拉伸作用参与变形减弱受拉纤维及复合材料的应力集中最大主应力出现相对更晚可以吸收更多的弹丸动能图 为 模型 背板第 界面(第层为接近陶瓷层)分层损伤当 数值达到 时完全脱粘 由图 可以看出各模型背板的分层损伤情况不同其中模型 的分层程度最大而模型 分层区域较小 随着背板复合材料层间粘结性能的增强背板的分层区域逐渐减少 背板复合材料间的粘结性能通过影响背板的分层等来扩大或减弱背板的拉伸吸能作用最后影响复合装甲整体的防弹性能 综上可以分析得到当粘结性能过高时背板几乎不发生分层复合装甲防弹性能偏弱且粘结越强、性能越弱而粘结性能较低时背板可以获得较好的分层背板吸收能量的能力得到提高复合装甲的防弹性能显著增强图 背板中界面 分层形状.第 期汪勇峰 等:背板层间粘结性能对 复合装甲防弹性能影响的数值分析 结 论利用显示动力学分析软件对 复合装甲受.穿甲燃烧弹冲击的侵彻过程进行了数值模拟研究并根据模拟计算结果分析讨论了 背板不同粘结性能时复合装甲的弹道性能、弹道极限速度、能量吸收和损伤模式得到如下主要结论:)在同样弹丸初速度条件下弹丸未穿透复合装甲时弹丸停止所需时间随粘合性能增加而减小背板的鼓包高度随粘结强度增强而降低粘结性能过高时弹丸穿透复合装甲穿透装甲后的剩余速度随粘结性能增强而增加)复合装甲的弹道极限速度随粘结性能增加而降低粘结性能较低时复合装甲具有更优异的弹丸动能吸收能力和抗侵彻能力)同样弹丸初速随着背板粘结性能增强复合装甲模型对弹丸动能的吸收能力降低且粘结性能在一定范围内时模型则能够完全吸收弹丸全部动能)粘结性能较弱时 背板分层区域更大主分层面更明显减小了复合材料的应力集中区域穿孔破坏部分减少更多复合材料通过拉伸变形吸收弹体动能参考文献:.:.:.:.:.():.王东哲秦溶蔓孙娜等.陶瓷纤维复合装甲抗弹丸侵彻性能的试验与数值模拟研究.材料导报():.():.():.刘迪肖依江旭伟等.复合装甲板抗侵彻性能的试验与数值模拟.上海大学学报(自然科学版)():.()():.:.:():.孔晓鹏蒋志刚曾首义.陶瓷铝合金复合装甲脱粘机理数值模拟.弹道学报():.():.申志强蒋志刚曾首义.陶瓷金属复合靶板工程模型及耗能分析.工程力学():.():.():.:.().:.().:.现代纺织技术第 卷 :.:.():.():.:.(.().):.:第 期汪勇峰 等:背板层间粘结性能对 复合装甲防弹性能影响的数值分析