三維機織增強復(fù)合材料彈道沖擊邊緣部分有限元分析

趙 磊， 劉元坤， 劉 華， 張圣忠， 祁 寧

(1. 鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 鹽城 224005； 2. 鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省生態(tài)紡織工程技術(shù)研發(fā)中心， 江蘇 鹽城 224005； 3. 北京航天試驗技術(shù)研究所， 北京 100074；4. 蘇州大學(xué) 現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室， 江蘇 蘇州 215123)

三維機織增強復(fù)合材料彈道沖擊邊緣部分有限元分析

趙 磊1，2， 劉元坤3， 劉 華1，2， 張圣忠1，2， 祁 寧4

(1. 鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 鹽城 224005； 2. 鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省生態(tài)紡織工程技術(shù)研發(fā)中心， 江蘇 鹽城 224005； 3. 北京航天試驗技術(shù)研究所， 北京 100074；4. 蘇州大學(xué) 現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室， 江蘇 蘇州 215123)

利用有限元軟件ABAQUS建立基于三維機織增強復(fù)合材料的單胞模型，探討子彈在三維機織增強復(fù)合材料中應(yīng)力波的傳播發(fā)生過程，對比分析子彈沖擊后邊緣部分的實驗結(jié)果和模擬計算結(jié)果，并對三維機織增強復(fù)合材料的最終破壞模式與常用層合板進行比較。結(jié)果表明：子彈在三維機織增強復(fù)合材料中的應(yīng)力峰值隨入射速度的增大而增大，并來回發(fā)生反射，彈頭從三維機織增強復(fù)合材料下表面射出后其增強紗線的斷裂較入射上表面粗糙，分層現(xiàn)象在三維機織增強復(fù)合材料內(nèi)部沒有發(fā)生，而實際觀察的破壞孔洞與采用有限元軟件模擬后的圖形基本吻合。

三維機織； 復(fù)合材料； 彈道沖擊； 有限元； 模擬

隨著紡織科技的高速發(fā)展，纖維增強復(fù)合材料越來越受到人們的重視，材料的理化性能相比常用的單一常規(guī)增強板有很大的改善和提高，極大地解決了力學(xué)工程中常規(guī)材料無法解決的技術(shù)性難題，與傳統(tǒng)工程材料相比，兼有質(zhì)輕，比模量高，比剛度大，比強度大，抗沖擊，抗彈性好等多項性能，在建筑運輸、航空航天、軍用工業(yè)和工程承載上等各個國民經(jīng)濟和國防保護的部門，它們的研發(fā)始終受到極大的關(guān)注[1-3]。很多科研人員發(fā)現(xiàn)，分層破壞是平面層壓復(fù)合材料的彈道沖擊損傷的主要形式，很顯然與因復(fù)合材料內(nèi)部單純由于長絲纖維的斷裂和樹脂基體開裂吸收的能量相比有一定差距，所以若選用三維紡織結(jié)構(gòu)來制備三維機織增強復(fù)合材料比層壓復(fù)合材料(層合板)有更強大的沖擊損傷極限。

目前有關(guān)三維機織增強復(fù)合材料的力學(xué)性能破壞研究較多，如Arendts等[4]在拉伸、壓縮、層間剪切及抗沖擊等性能上對三維機織復(fù)合材料與層合增強復(fù)合材料進行了比較；Yao等[5]在拉伸、沖擊以及介電性能上對三維芳綸/玻璃纖維混雜增強復(fù)合材料進行了研究；Cox等[6]在拉伸、壓縮、彎曲破壞機制上研究了三維機織增強復(fù)合材料，得出三維增強復(fù)合材料的拉伸破壞主要原因在于長絲纖維的脆斷與抽拔，壓縮破壞主要原因在于皺損區(qū)(kink band formation)產(chǎn)生的分層導(dǎo)致的，而復(fù)合材料的彎曲破壞是以上2種破壞形式的綜合。很顯然，目前對彈道沖擊三維機織增強復(fù)合材料性能的研究基本集中在對層壓復(fù)合材料上，或者研究三維紡織正交機織增強復(fù)合材料的拉伸、彎曲性能[7-9]，涉及三維機織增強復(fù)合材料彈道沖擊性能的研究還很少。

本文主要研究三維機織增強復(fù)合材料的子彈沖擊性能，利用有限元軟件ABAQUS[10-12]建立彈道沖擊模型，分析子彈在三維機織增強復(fù)合材料中應(yīng)力波的傳播發(fā)生過程，對比分析子彈沖擊后邊緣部分的實驗結(jié)果和模擬計算的結(jié)果，并對三維機織增強復(fù)合材料的最終破壞模式與常用的層合板進行了比較。

1 材料與模型

1. 1 材 料

三維機織增強體具有以下2個優(yōu)點：經(jīng)紗和緯紗在水平面相互有規(guī)律的交錯排列，保持復(fù)合材料骨架的平面性能，與它們相連的結(jié)構(gòu)紗線束起到穩(wěn)定連接的作用；三維機織增強體厚度上的這組紗線主要保持增強復(fù)合材料不同層之間有較高的剪切強度，減少分層現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而提高復(fù)合材料的耐沖擊性。三維機織增強體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。經(jīng)紗、緯紗及Z紗是相互獨立與垂直的，因此，紗線完全伸直且不會有糾結(jié)現(xiàn)象發(fā)生，經(jīng)紗與緯紗維持在相同平面內(nèi)。

圖1 三維增強機織物結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure sketch of three-dimensional reinforced woven fabric

本文研究采用的Z紗為臺灣開發(fā)的無捻Twaron芳綸纖維，經(jīng)紗和緯紗采用北京天興陶瓷復(fù)合材料有限公司加工的無捻無堿E玻璃纖維，基本參數(shù)如表1所示。采用無錫長三角裝配制造有限公司開發(fā)的307-3不飽和聚酯樹脂，其為淡黃液體，酸值為27～35 mg KOH/g,黏度為0.35～0.65 Pa·s，固化時間為35 min，其在固化劑的引發(fā)下可以產(chǎn)生膠聯(lián)，抗水強度高，固化劑選擇過氧化甲乙酮，促進劑選擇辛酸鈷，307-3不飽和聚酯樹脂、過氧化甲乙酮、辛酸鈷三者的質(zhì)量比為100∶5∶3。

表1 三維增強機織物的規(guī)格Tab.1 Specifications of three-dimensional reinforced woven fabric

1.2 三維機織增強復(fù)合材料的成型

三維機織物增強307-3不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料的制備采用真空輔助樹脂模塑成型法即VARTM技術(shù)，將樹脂溶液注入到三維機織物中，如圖2所示。為保證材料上下面表面平整，不影響后期的實驗結(jié)果，三維機織增強體上墊塊厚度為9 mm玻璃，大小基本相同，為便于性能測試及測試試樣的制作，制備出的增強材料的厚度維持在約12 mm。固化成型后的材料及其橫截面如圖3、4所示。

圖2 VARTM制備簡圖Fig.2 Preparing diagrams of VARTM

圖3 三維機織增強復(fù)合材料正面圖Fig.3 Front view of three-dimensional woven fabric reinforced composite

圖4 三維機織增強復(fù)合材料經(jīng)向斷面圖Fig.4 Longitudinal section of three-dimensional woven fabric reinforced composite

1.3 彈道沖擊系統(tǒng)模型

1.3.1 模型建立與計算方法

圖5 彈道沖擊有限元模型Fig.5 Finite element model for ballistic impact

依據(jù)三維機織增強結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的微觀特性，創(chuàng)建了復(fù)合材料的單胞模型，如圖5所示，分別以子彈入射速度749、658、606、488、397 m/s沖擊復(fù)合材料，研究子彈在復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生的沖擊變形和破壞。因為三維機增強復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)不均勻，所以可將此近似看成宏觀的連續(xù)介質(zhì)。結(jié)合FORTRAN語言，在彈塑性本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上，采用單胞模型VUMAT 接口程序，其中的臨界失效面積準則和最大應(yīng)力準則是本文采用的原理，并使用VUMAT與有限元軟件包ABAQUS，在顯式算法上對三維機織增強復(fù)合材料的各組分進行應(yīng)力更新計算等，數(shù)值模擬計算彈道沖擊，最后得到有限元計算結(jié)果。

1.3.2 材料參數(shù)的確定

三維機織增強復(fù)合材料試樣中，不飽和聚酯樹脂、玻璃纖維及芳綸[13]相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2～4所示。彈體的力學(xué)基本參數(shù)：體密度ρ為7.78 g/cm3，模量E為205 GPa，泊松比ν為0.295。按照三維來說，包含X、Y、Z3個方向，而對于纖維來說，只有徑向和軸向之分，由于三維機織增強體是一種對稱體，所以其彈性常數(shù)不多，以Z=0作為對稱平面，那么X、Y、Z三軸正方向的常數(shù)與相反方向的常數(shù)一致，T、C、S分別表示拉伸、壓縮、剪切性能。

表2 長絲剛度參數(shù)Tab.2 Stiffness parameters of filament

表3 長絲強度參數(shù)Tab.3 Strength parameters of filament

表4 基體的力學(xué)基本參數(shù)Tab.4 Basic mechanic parameters of matrix

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力-時間曲線

以三維機織增強復(fù)合材料邊緣上的單元進行應(yīng)力分析，圖6示出模型中節(jié)點典型位置。圖7示出三維機織復(fù)合材料應(yīng)力波的傳播發(fā)生過程。

圖6 模型中節(jié)點典型位置Fig.6 Model nodes in a typical location

由圖6看出，N12、N27，N9613是子彈沖擊三維機織增強復(fù)合材料最臨近的結(jié)構(gòu)單元，3個點是電腦生成的網(wǎng)格單元代碼。N12為1/2模型中長度方向上離子彈接觸靶板點最遠的距離單元；N27為1/2模型中寬度方向上離子彈接觸靶板點最遠的距離單元，N9613為1/2模型中子彈接觸靶板點單元。從圖7(a)可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力峰值隨子彈入射速度的增大而增大，當子彈入射速度一樣時應(yīng)力也存在上下波動的現(xiàn)象，這就證明了三維機織增強復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力波是迂回發(fā)生反射現(xiàn)象的，在三維機織增強復(fù)合材料中，基體起著黏結(jié)紗線主體的作用，并起著增韌作用，當基體和增強體之間的黏結(jié)作用達到最佳效果時，應(yīng)力波的反射現(xiàn)象主要與波速有一定的關(guān)系，依據(jù)J.C.Smith提出的彈道沖擊原理，子彈法向沖擊增強體內(nèi)部的紗線時，子彈縱波波速c的表達式為若子彈產(chǎn)生較高的縱波波速，則纖維必須是高模量，但這并不是絕對的，其原因在于當纖維的模量過高時，纖維的脆性是明顯增強的，此時便無法再吸收纖維應(yīng)變所產(chǎn)生的能量。當子彈垂直于纖維的縱向入射沖擊時，子彈對纖維產(chǎn)生的沖擊力將會傳遞到纖維的縱向，直至纖維兩末端后又以某種拉伸波反方向傳遞回來，當靠近子彈的彈著點后，影響相同方向上其他物質(zhì)的運動，很明顯纖維產(chǎn)生的拉應(yīng)變與子彈的沖擊速度緊密相聯(lián)，這種迂回反射的現(xiàn)象會增大纖維的拉應(yīng)變，應(yīng)變持續(xù)增大就會要求纖維能及時地吸收應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)變能，而且不只在縱向，在纖維縱向垂直的方向上也會出現(xiàn)一個傳播應(yīng)力，這種傳播與子彈入射是一致的，當它的應(yīng)變不能使得纖維再承受時便會使纖維遭到破壞。

圖7 各節(jié)點應(yīng)力波傳播時間圖Fig.7 Stress wave transmission time figure of each node. (a) Node N9613; (c) Node N27; (c) Node N12

式中：E為子彈在高應(yīng)變率下纖維產(chǎn)生的彈性模量；ρ為增強體紗線的體積密度。

三維機織增強復(fù)合材料內(nèi)的應(yīng)力波在以一定的速度發(fā)生傳播，因此，當應(yīng)力波還沒有接觸到三維機織增強復(fù)合材料邊緣單元前，N12、N27，N9613 3個節(jié)點上都是沒有應(yīng)力的，所以在應(yīng)力-時間圖形上首先存在一段水平直線段，從圖7(b)、(c)可以驗證上述結(jié)論。從圖7還可看出，當子彈入射到復(fù)合材料的速度越大，產(chǎn)生的應(yīng)力波動就越大，但在每個應(yīng)力-時間圖形中，應(yīng)力都存在1個峰值，其原因在于子彈沖擊點周圍單胞發(fā)生破壞，由于孔洞的大小不夠，因此，子彈不能擊穿三維機織復(fù)合材料，此時子彈和靶板(三維機織增強復(fù)合材料)之間產(chǎn)生的作用力最大，隨后應(yīng)力逐漸減小，應(yīng)力波就在三維機織增強復(fù)合材料上不斷反射和傳播。

2.2 破壞模式

圖8示出三維機織增強復(fù)合材料破壞實物圖?？梢?，在子彈沖擊過程中，三維機織增強復(fù)合材料在平面上的剪切破壞比較少，子彈能順利打入復(fù)合材料內(nèi)部。復(fù)合材料在子彈沖擊面，增強紗線基本是斷裂后仍然比較平整，從圖8(a)可明顯看到樹脂基體破裂和凹陷現(xiàn)象；彈頭從三維機織增強復(fù)合材料下表面射出后其增強紗線的斷裂較入射上表面粗糙，主要表現(xiàn)為少數(shù)增強長絲和樹脂基體因較強的抽拔而產(chǎn)生開裂，從圖8(b)也可清晰地看出；為了更進一步說明子彈沖擊過程，將局部破裂面放大，如圖8(c)所示，三維機織增強復(fù)合材料的子彈沖擊面和子彈出射面的受力情況存在一定差異，子彈入射面因長絲被壓縮而破壞以及基體產(chǎn)生開裂，而子彈出射面因長絲被拉伸而產(chǎn)生破壞。通過圖8還可發(fā)現(xiàn)，三維機織增強復(fù)合材料被子彈破壞的面積比較小，復(fù)合材料的破壞也僅僅發(fā)生在局部區(qū)域，由于三維機織增強復(fù)合材料的彎曲撓度小，所以只能在厚度方向上產(chǎn)生拉伸破壞的現(xiàn)象，即以長絲拉伸后的抽拔破壞為主，明顯它的破壞方式不同于二維層合板，在子彈高速射擊下，層合板產(chǎn)生的破壞變形較大，原因在于層合板抗彎剛度不足夠大，更重要的是層合板厚度方向?qū)优c層之間的聯(lián)結(jié)力比較小，導(dǎo)致彎曲變形撓度在它的厚度方向比較大，所以二維層合板比較容易發(fā)生變形，如圖9所示。采用相同的纖維原料制成相同厚度的二維層合板進行子彈沖擊破壞試驗，當二維層合板收到高速子彈沖擊時分層破壞比低速子彈沖擊時更明顯，即所謂的分層現(xiàn)象[14-15]。

圖8 三維機織增強復(fù)合材料破壞實物圖Fig.8 Damage photos of three-dimensional woven fabric reinforced composite. (a) Failure of filaments and matrix attacked by bullet; (b) Failure of filaments and matrix emitting by bullets; (c) Top cross section of composite

圖9 層合板破壞實物圖Fig.9 Damage photos of laminates. (a)Low velocity impact; (b) High velocity impact

從圖8(c)還可看出，在子彈沖擊過程中子彈彈著點附近的長絲斷裂以及樹脂基體破裂比較嚴重。這說明三維機織增強復(fù)合材料既能減少層層之間的剪切破壞現(xiàn)象，又能較好地抵抗子彈射入復(fù)合材料(靶體)內(nèi)。

2.3 模擬形態(tài)與實際觀測比較

圖10示出復(fù)合材料破壞形態(tài)及其模擬圖。圖10(a)是采用有限元模擬出的三維機織增強復(fù)合材料最終破壞的俯視圖，由圖可知，三維機織增強復(fù)合材料內(nèi)部基本沒有出現(xiàn)分層的地方，不過分層現(xiàn)象在二維平面增強材料或者層合板增強材料比較常見，這個優(yōu)點在圖10(b)中也可明顯看出來，證明了有限元模擬的圖形和實際觀察的破壞孔洞基本是一致吻合的。三維機織增強復(fù)合材料在子彈高速沖擊下模擬計算出的側(cè)面最終破壞后的局部放大圖如圖11所示。

圖10 復(fù)合材料最后破壞形態(tài)與模擬對比圖Fig.10 Comparison charts of composite between finally damage form and simulation. (a) Finite element calculation fracture morphology of ballistic impact; (b) Real failure mode of composite

圖11 模擬沖擊破壞后的側(cè)面放大圖Fig.11 Enlarged impacted graph after simulation of composite

3 結(jié) 論

1)子彈在三維機織復(fù)合材料中應(yīng)力波傳播發(fā)生過程中，應(yīng)力-時間圖形上首先存在一段水平直線段，應(yīng)力峰值隨子彈入射三維機織增強復(fù)合材料速度的增大而增大，應(yīng)力波在三維機織增強復(fù)合材料內(nèi)部是來回發(fā)生反射的。

2)子彈在三維機織增強復(fù)合材料的沖擊面，增強紗線斷裂后仍比較平整，彈頭從三維機織增強復(fù)合材料下表面射出后其增強紗線的斷裂較入射上表面粗糙，主要表現(xiàn)為少數(shù)增強長絲和樹脂基體因較強的抽拔而產(chǎn)生開裂。

3)子彈入射后，分層現(xiàn)象在三維機織增強復(fù)合材料內(nèi)部沒有發(fā)生，實際觀察的破壞孔洞與采用有限元軟件模擬后的圖形基本吻合。

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Finite element analysis on ballistic impact edge part of three-dimensional woven fabric reinforced composite

ZHAO Lei1,2, LIU Yuankun3， LIU Hua1,2, ZHANG Shengzhong1,2, QI Ning4

(1.Textile&GarmentInstitute,YanchengInsituteofIndustryTechnology,Yancheng，Jiangsu224005,China；2.JiangsuR&DCenteroftheEcologicalTextileEngineering&Technology,YanchengInsituteofIndustryTechnology,Yancheng,Jiangsu224005,China；3.BeijingInstituteofAerospaceTestingTechnology，Beijing100074，China; 4.NationalEngineeringLaboratoryforModernSilk,SoochowUniversity,Suzhou,Jiangsu215123,China)

Based on three-dimensional machine woven reinforced composite, single cell model was established by limited element software ABAQUS. Spread of the stress wave about bullet in three dimensional woven fabric reinforced composite was also analyzed. The bullet impact of experiment results and simulated calculation of results were compared and the eventually damage mode of three dimensional woven fabric reinforced composite and layer collection board were analyzed. The results showed that maximum stress of bullets in three-dimensional woven fabric reinforced composite stress increases with the speed of the input and reflected back and forth. After the warhead projected from three-dimensional woven reinforced composite, the reinforced yarn of fracture in lower surface was rougher than it in upper surface. No obvious stratification phenomenon existed in three-dimensional woven fabric reinforced composite, and the graphics of finite element simulation were consistent with the actually observed damage voids.

three-dimensional woven; composite; ballistic impact; finite element; simulation

10.13475/j.fzxb.20150202507

2015-02-13

2015-11-25

2014年中國紡織工業(yè)聯(lián)合會科技指導(dǎo)性項目(2014045)；江蘇省高等職業(yè)院校高級訪問工程師計劃資助項目(2014FG107)

趙磊(1984—)，男，講師，碩士。研究方向為紡織新材料的開發(fā)及新技術(shù)的應(yīng)用。E-mail：zhaolei7365@163.com。

TB 332; TS 101.923.1

A