阻尼材料/纖維層合板復合靶板抗沖擊性能研究

周越松，梁 森，王得盼，劉 龍

(青島理工大學 機械與汽車工程學院， 山東 青島 266520)

1 引言

高性能纖維復合材料制成的復合裝甲具有低面密度、抗侵徹特性強等優(yōu)點，是最具發(fā)展前景的防彈裝甲。國內(nèi)外研究人員對復合裝甲的研究主要集中在新型復合材料和復合結構上。周慶等研究了Kevlar/EP復合材料靶片的防彈性能，分析了靶片的破壞機制，闡明了復合材料靶片的主要吸能方式。孫穎等設計了5種混雜結構的Kevlar/UHMWPE纖維混雜復合材料層板，分析了其沖擊損傷破壞機制，為低速沖擊防護產(chǎn)品的研發(fā)提供一定設計依據(jù)。陳曉將Kevlar/UHMWPE/玻璃纖維進行混雜，并進行大量彈擊實驗，說明了纖維的排列次序影響復合裝甲的抗彈性能，并且在厚度方向采用“弱-較弱-強”的組合方式，可大大提高裝甲防彈效果。Kedar等對玻璃纖維/碳纖維復合材料層

合板的沖擊性能進行了實驗研究，結果表明，將玻璃纖維層置于外層，碳纖維層置于中間層可提高復合材料的彈道極限。

應用較廣泛的高性能纖維主要有碳纖維和UHMWPE纖維等，它們在防護領域各有優(yōu)勢，又各有不足。碳纖維具有高比剛度、高比模量等特點，被廣泛應用于航空航天領域，但其彈性延伸率較低，耐沖擊性不好，常與其他纖維組合使用；UHMWPE纖維斷裂伸長率高，但其耐熱穩(wěn)定性差，抗壓強度和抗剪強度低。因此，多種纖維的排列組合方式是研究高性能纖維復合材料靶板的重點。

王玲將Kevlar纖維布嵌入到阻尼材料中，通過實驗和數(shù)值模擬研究其耐沖擊性，結果表明，阻尼材料的添加可有效提高復合材料的抗低速沖擊性能。氫化丁腈橡膠具有強度高、抗撕裂能力強等優(yōu)點，本文通過在復合材料表面涂刷氫化丁腈橡膠膠漿制作阻尼層。

為滿足靶板輕質、抗侵徹性能強的需求，本文建立了阻尼材料/纖維層合板結構靶板抗沖擊的有限元仿真模型，其中，在靶板迎彈面涂刷的阻尼層為面層阻尼，在靶板背面涂刷的阻尼層為背層阻尼，在2種不同纖維層合板之間涂刷的阻尼層為芯層阻尼。將數(shù)值模擬與實驗相結合，探究靶板的結構參數(shù)對沖擊結果的影響規(guī)律和阻尼層的最佳涂刷位置以及最優(yōu)厚度。

2 復合靶板抗侵徹機理

2.1 纖維復合板抗侵徹機理

纖維復合板具有多種不同的耗能模式，主要包括剪切沖塞、纖維拉伸斷裂、靶板分層和背凸、基體破碎和摩擦耗能等。纖維復合板在受到子彈沖擊時，因子彈速度較高，前幾層主要發(fā)生剪切破壞，待子彈速度降下來后，材料破壞形式以拉伸破壞為主。隨著子彈繼續(xù)侵徹，板材出現(xiàn)分層現(xiàn)象，纖維也被不斷拉長，如果纖維未被拉斷，會被不斷拉伸形成背凸，這個階段，板材的分層和纖維的拉伸破壞是主要的吸能方式。

2.2 阻尼材料抗侵徹機理

氫化丁腈橡膠用作阻尼材料，密度輕、強度高。當子彈侵入阻尼材料時，其會吸收并擴散子彈的沖擊能，使靶材承受沖擊能范圍增大，更有利于發(fā)揮纖維復合板優(yōu)異的吸能性能。

3 數(shù)值模擬可行性驗證

3.1 試驗方案及結果

對7.62×39 mm子彈垂直入射UHMWPE硬質防彈板的侵徹能力進行實驗研究。防彈板尺寸為300 mm×300 mm×16 mm，由UHMWPE單向預浸料正交鋪層經(jīng)復合加工制成，其中，單層預浸料厚度為0.1 mm。子彈以710 m/s的速度著靶，侵徹深度為12 mm，并未穿透靶板。子彈侵徹速度降為0時，靶板內(nèi)部與彈芯接觸的UHMWPE纖維有明顯的灼燒痕跡，靶板背部出現(xiàn)凸起，子彈在侵徹過程中被UHMWPE纖維不斷磨蝕，彈芯長度變短，頭部鐓粗。侵徹結果如圖1所示。

圖1 靶板侵徹結果實物圖

3.2 數(shù)值模擬方案

應用LS-DYNA動力學軟件進行三維建模，有限元模型由子彈和防彈板等2個部分組成，采用拉格朗日網(wǎng)格建模，見圖2。彈頭為尖頭錐底鋼芯覆銅披甲結構，考慮到覆銅披甲對侵徹影響較小，彈頭有限元模型表現(xiàn)為鋼芯和鉛套。鋼芯和鉛套材料模型采用Cowper-Symonds模型，材料參數(shù)如表1所示。UHMWPE纖維復合材料采用帶損傷的復合模型(composite damage model)，材料參數(shù)如表2所示。

圖2 有限元模型示意圖

表1 鋼芯及鉛套材料模型參數(shù)

表2 UHMWPE纖維復合材料參數(shù)Table 2 UHMWPE composite material parameters

數(shù)值模擬結果如圖3所示，子彈侵入靶板深度為12.3 mm，子彈頭部發(fā)生鐓粗，靶板背部出現(xiàn)凸起，與實際結果相符，證明了數(shù)值模擬方案的可行性和數(shù)據(jù)的準確性。

圖3 數(shù)值模擬結果圖

4 防彈復合結構數(shù)值模擬

4.1 幾何模型

子彈仍選用7.62×39 mm鋼芯彈，全彈質量16.4 g，彈頭直徑7.92 mm，長26.8 mm，重8.05 g，子彈初速710 m/s。防彈靶板為碳纖維層合板和UHMWPE層合板以及阻尼材料構成，靶板橫向尺寸為60 mm×50 mm，碳纖維層合板和UHMWPE層合板厚度均為3 mm，阻尼層厚度根據(jù)需要設置，建立沖擊幾何模型如圖4所示。

圖4 沖擊幾何模型示意圖

4.2 有限元模型及參數(shù)選取

子彈材料模型采用Cowper-Symonds模型，該模型可考慮應變率效應的影響，帶有失效應變，屈服應力用與應變率有關的因數(shù)表示，二者關系為：

(1)

56式7.62 mm子彈的鋼芯材料經(jīng)過機加工和熱處理，其應變率效應影響小，因此設置==0，不考慮鋼芯的應變率效應。鉛的延展性很好，理論應變率較高，但因為其強度低，對侵徹的影響小，因此忽略應變率效應的影響。鋼芯和鉛套性能參數(shù)見表1。

碳纖維和UHMWPE纖維復合材料均采用Composite Damage模型，該模型常用于描述纖維復合材料在受子彈侵徹時的響應過程，碳纖維復合材料性能參數(shù)如表3所示，UHMWPE纖維復合材料性能參數(shù)見表2。阻尼材料采用Mooney-Rivlin不可壓縮橡膠模型，其材料參數(shù)由實驗測得，如表4所示。

5 仿真結果分析

5.1 改變面層阻尼厚度對靶板抗侵徹性能的影響

以碳纖維復合材料作面板，UHMWPE纖維復合材料作背板的靶板，分析添加不同厚度的面層阻尼對靶板抗侵徹性能的影響，其抗侵徹性能分析結果如圖5所示。

表3 碳纖維復合材料參數(shù)

表4 阻尼材料參數(shù)Table 4 Damping material parameters

圖5 不同面層阻尼厚度的靶板抗侵徹性能曲線

圖5中彈道性能指數(shù)是指單位面密度的靶板吸收的能量。由曲線變化趨勢分析得知，隨面層阻尼厚度增加，靶板吸收能量呈遞增趨勢，當阻尼厚度達到一定程度，吸收能量的增勢變緩，并趨于穩(wěn)定；彈道性能指數(shù)呈先增后減的趨勢，且當面層阻尼厚度為0.5 mm時達到峰值。面層阻尼有吸收、擴散沖擊能量的作用，隨阻尼厚度增加，其將子彈沖擊動能盡可能多地分散到靶板迎彈面上，來提高靶板的吸能效果。面層阻尼繼續(xù)增加厚度，其擴散沖擊能量的效果減弱，對靶板抗沖擊性能提升有限，導致單位面密度內(nèi)吸收子彈沖擊能量減少，因此彈道性能指數(shù)呈下降趨勢。

5.2 改變芯層阻尼厚度對靶板抗侵徹性能的影響

以碳纖維復合材料作面板，UHMWPE纖維復合材料作背板的靶板，分析添加不同厚度的芯層阻尼對靶板抗侵徹性能的影響。其抗侵徹性能分析結果如圖6所示，靶板最高吸收能量為1 071 J。而由圖5可知，未涂刷阻尼層的靶板吸收子彈動能值為1 143 J。芯層阻尼的添加降低了靶板抗侵徹能力。這是因為碳纖維復合材料屬于脆性材料，將其作為面板時，需要背板提供足夠的剛度支撐，而阻尼材料較柔軟，降低了背板對面板的支撐效果。芯層阻尼涂刷完成后，因為阻尼本身會吸收子彈的沖擊能量，所以隨阻尼厚度增加，靶板吸收子彈動能呈遞增趨勢。彈道性能指數(shù)呈先增后減的趨勢，說明當芯層阻尼厚度較大時，增加其厚度對靶板抗侵徹性能提升效果減弱。

圖6 不同芯層阻尼厚度的靶板抗侵徹性能曲線

5.3 改變背層阻尼厚度對靶板抗侵徹性能的影響

以碳纖維復合材料作面板，UHMWPE纖維復合材料作背板的靶板，分析添加不同厚度的背層阻尼對靶板抗侵徹性能的影響，其抗侵徹性能分析結果如圖7所示。隨背層阻尼厚度的增加，靶板吸收能量和彈道性能指數(shù)都呈先增后減的趨勢。阻尼材料具有優(yōu)異的吸能性能，阻尼厚度越大，其吸能效果越強，但當背層阻尼達到一定厚度時，其作為背板的一部分，降低了背板的剛度，使背板對碳纖維面板的剛性支撐作用減弱，碳纖維復合材料吸收子彈動能逐漸減少，靶板抗子彈侵徹能力逐漸降低。

圖7 不同背層阻尼厚度的靶板抗侵徹性能曲線

5.4 最佳靶板結構

由5.3節(jié)知，涂刷芯層阻尼時，靶板吸收能量和彈道性能指數(shù)較無阻尼靶板出現(xiàn)明顯下降；涂刷0.5 mm厚背層阻尼時，靶板吸收能量和彈道性能指數(shù)達到峰值，較無阻尼靶板分別提升15.9%和10.5%；涂刷0.5 mm厚面層阻尼時，靶板吸收能量和彈道性能指數(shù)較無阻尼靶板分別提升26.9%和19.8%。因此，在靶板迎彈面涂刷面層阻尼會顯著提高靶板的抗侵徹能力。

探究同等面密度條件下，結構Ⅰ(3.2 mm厚碳纖維層合板+3 mm厚UHMWPE層合板)、結構Ⅱ(3 mm厚碳纖維層合板+3.5 mm厚UHMWPE層合板)以及結構Ⅲ(0.5 mm厚面層阻尼+3 mm厚碳纖維層合板+3 mm厚UHMWPE層合板)等3種結構的抗侵徹性能，結果如圖8所示。由子彈侵徹速度曲線知，Ⅲ結構靶板抗侵徹能力最強，Ⅰ結構靶板次之。同理說明，在靶板完全吸收子彈動能情況下，添加一定厚度面層阻尼可有效降低靶板面密度，進而滿足防護裝甲輕質、抗沖擊性能強的需求。

圖8 不同靶板侵徹速度曲線圖

6 結論

本文提出一種由阻尼材料、碳纖維層合板、UHMWPE纖維層合板構成的防彈結構。應用LS-DYNA軟件進行有限元分析，研究該結構抗7.62 mm子彈侵徹性能，通過改變結構幾何參數(shù)，研究其對沖擊結果的影響規(guī)律，進一步探究阻尼層的最佳涂刷位置和最優(yōu)厚度。結果表明：

1) 模擬結果與實驗結果具有良好的一致性，說明數(shù)值模擬中所用的材料參數(shù)是可靠的。

2) 涂刷一定厚度的背層阻尼或面層阻尼，都能有效提高靶板的抗侵徹能力，其中涂刷面層阻尼對靶板抗侵徹性能提升最為顯著，涂刷芯層阻尼會降低靶板抗沖擊性能。阻尼層的最佳分布位置為靶板迎彈面。

3) 同等面密度條件下，與增加碳纖維層合板或UHMWPE纖維層合板的厚度相比，添加0.5 mm厚的面層阻尼材料對靶板抗沖擊性能提升更為顯著。