陳 昕，朱 錫，梅志遠(yuǎn)，王曉強(qiáng)

(海軍工程大學(xué) 船舶與海洋工程系，武漢 430033)

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)作為繼碳纖維、芳綸之后出現(xiàn)的第三代高性能纖維，不僅比強(qiáng)度和比模量非常高，并且在沖擊作用下表現(xiàn)出優(yōu)異的能量吸收性能，在防彈、抗沖擊領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用［1－5］。在將UHMWPE復(fù)合材料應(yīng)用于例如防彈天線罩之類的防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)常需要將其制作成球面層合板的形式。UHMWPE球面層合板作為具有初始曲率的層合殼結(jié)構(gòu)，其曲率會(huì)對(duì)抗侵徹能力帶來一定的影響。目前有關(guān)復(fù)合材料層合殼的沖擊響應(yīng)研究主要集中在低速?zèng)_擊時(shí)殼體的損傷和應(yīng)力分布等方面［6－8］，而對(duì)UHMWPE復(fù)合材料的彈道侵徹研究也都只局限于平面結(jié)構(gòu)。

本文通過實(shí)驗(yàn)對(duì)UHMWPE層合平板和球面板的彈道侵徹性能進(jìn)行了比較，初步分析了球面板抗彈能力下降的原因。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用MSC/DYTRAN有限元軟件對(duì)彈道侵徹過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，進(jìn)一步研究了曲率對(duì)球面板抗侵徹能力的影響規(guī)律。

1 彈道侵徹實(shí)驗(yàn)

1.1 UHMWPE平面層合板彈道實(shí)驗(yàn)

UHMWPE平面層合板原料采用湖南中泰特種裝備有限責(zé)任公司生產(chǎn)的ZT－75無緯布預(yù)浸料，基體為聚苯乙烯，含量約為20%。層合板尺寸為300mm×300mm，厚度 30.2mm，面密度30.8kg/m2，由372 層預(yù)浸料以0°/90°方式迭加后經(jīng)加熱模壓制成，每層預(yù)浸料包含正交鋪層的兩層單向纖維。平面層合板的外觀如圖1所示。

圖1 UHMWPE平面層合板Fig.1 UHMWPE plane laminate

彈道實(shí)驗(yàn)在海軍工程大學(xué)艦船結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，彈丸為45#鋼制成的立方體破片，邊長7.5mm，質(zhì)量為3.3 g，采用14.7mm滑膛彈道槍發(fā)射。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由結(jié)果可知，當(dāng)破片速度達(dá)到1667.8 m/s時(shí)，仍未能穿透層合板。(根據(jù)每次實(shí)驗(yàn)后層合板未被穿透的剩余厚度，近似認(rèn)為吸能量與面密度成線性關(guān)系，估算出層合板的彈道極限為1789 m/s。)

表1 UHMWPE平面層合板彈道實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Ballistic test results of UHMWPE plane laminate

層合板受彈道沖擊后的典型形態(tài)如圖2所示。迎彈面為與破片尺寸相當(dāng)?shù)拈_孔，纖維表現(xiàn)為熔斷和剪切破壞。背板出現(xiàn)直徑210mm，高50mm的凸包，纖維產(chǎn)生大范圍和拉伸變形，伴隨著層間開裂和層間相對(duì)滑動(dòng)。將層合板沿彈孔切開后，可以明顯地看到純剪切破壞、拉伸破壞和凸包形成三個(gè)過程。由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，由于UHMWPE復(fù)合材料纖維與基體間的結(jié)合力非常弱，纖維與基體間、各層之間容易產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，因此纖維的應(yīng)變傳遞范圍較大，使得纖維參與拉伸吸能的比例更大。

圖2 UHMWPE平面層合板受彈道沖擊后的形態(tài)Fig.2 Configuration of UHMWPE plane laminate after ballistic impact

圖3 UHMWPE夾芯結(jié)構(gòu)Fig.3 UHMWPE sandwich structures

表2 夾芯結(jié)構(gòu)參數(shù)及彈道實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Sandwich structure parameters and ballistic test results

1.2 UHMWPE夾芯結(jié)構(gòu)彈道實(shí)驗(yàn)

制作了三種以UHMWPE為防彈材料的C－夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈道實(shí)驗(yàn)，夾芯結(jié)構(gòu)外觀如圖3所示，中間為UHMWPE層合板，蒙皮為玻璃鋼，中間層與蒙皮之間用硬質(zhì)聚氨酯泡沫填充。對(duì)三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈道沖擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)施、破片均與平面層合板的實(shí)驗(yàn)相同。三種結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)和彈道實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

三種夾芯結(jié)構(gòu)受彈道沖擊后背彈面的典型形態(tài)如圖4所示。1#夾芯結(jié)構(gòu)在破片沖擊速度達(dá)到1597.0 m/s時(shí)，仍未能穿透，背彈面的蒙皮沒有產(chǎn)生明顯變形和破壞，但從側(cè)面可以看出UHMWPE層有明顯的層間相對(duì)滑動(dòng)現(xiàn)象，表明纖維拉伸變形的范圍已經(jīng)到達(dá)邊緣，中部有較大的凸包產(chǎn)生。2#夾芯結(jié)構(gòu)在速度為1564.0 m/s和1590.7 m/s時(shí)被擊穿，背彈面的玻璃鋼蒙皮單純受破片侵徹作用破壞，沒有產(chǎn)生大的變形。3#夾芯結(jié)構(gòu)在破片沖擊速度為1545.1 m/s時(shí)未被擊穿，但背彈面的蒙皮已經(jīng)產(chǎn)生明顯的裂縫，可以判斷UHMWPE層已經(jīng)產(chǎn)生了較大變形和凸包。夾芯結(jié)構(gòu)中泡沫材料均為低密度聚氨酯，強(qiáng)度僅為1.8 MPa，模量僅為68 MPa，。因此泡沫層對(duì)UHMWPE層在破片沖擊作用下產(chǎn)生變形和凸包的限制作用很小。(忽略泡沫層對(duì)彈道侵徹性能的影響，結(jié)合2#結(jié)構(gòu)與3#結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為球面夾芯結(jié)構(gòu)的彈道極限在1545.1 m/s～1564 m/s之間。)

圖4 三種夾芯結(jié)構(gòu)彈擊后背彈面形態(tài)Fig.4 Back side configuration of sandwich structures after ballistic impact

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從UHMWPE平面層合板、平面夾芯結(jié)構(gòu)(1#結(jié)構(gòu))與球面夾芯結(jié)構(gòu)(2#、3#結(jié)構(gòu))彈道實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可以看出，在UHMWPE層合板厚度相同的情況下，球面夾芯結(jié)構(gòu)的彈道極限抗侵徹能力有明顯下降。忽略泡沫和蒙皮的影響，經(jīng)初步分析，本文認(rèn)為引起彈道極限抗侵徹能力下降的主要原因是UHMWPE層合板采用球面結(jié)構(gòu)以及破片從凸面入射。UHMWPE層合板在受到彈道沖擊時(shí)，主要依靠大范圍的纖維拉伸變形、產(chǎn)生大尺寸的凸包吸收沖擊能量，當(dāng)破片從球面層合板凸面入射時(shí)，背板凸包形成的方向正好與層合板凸面方向相反，層合板的初始曲率對(duì)凸包形成產(chǎn)生了限制作用。從微觀層面分析，由于初始曲率的存在，纖維在凸包的邊緣產(chǎn)生折點(diǎn)，應(yīng)力波沿纖維軸向的傳播在折點(diǎn)處受到阻礙而產(chǎn)生部分反射，造成局部應(yīng)力較高而使纖維過早失效。

為驗(yàn)證這一觀點(diǎn)，對(duì)2#夾芯結(jié)構(gòu)從凹面方向進(jìn)行了一次彈道沖擊實(shí)驗(yàn)，入射速度為1585.0m/s時(shí)，夾芯結(jié)構(gòu)未被穿透(見表2)。這一結(jié)果表明凹球面夾芯結(jié)構(gòu)的彈道極限抗侵徹能力明顯高于凸球面，從而驗(yàn)證了初始曲率對(duì)抗侵徹能力的影響是存在的。

2 數(shù)值仿真與分析

2.1 有限元模型

為進(jìn)一步分析球面層合板曲率對(duì)抗侵徹能力的影響，采用DYTRAN軟件對(duì)平面板以及不同半徑球面板的彈道侵徹過程進(jìn)行了數(shù)值仿真。由于實(shí)驗(yàn)中UHMWPE層合板由數(shù)百層纖維制成，并且纖維與基體間的作用非常復(fù)雜，目前還難以精確地模擬實(shí)際情況。因此將侵徹過程簡化為薄板抗低速侵徹問題，著重分析球面板與平面板侵徹性能的差別以及半徑的影響規(guī)律。

建立的四個(gè)有限元模型分別為平板和半徑為500mm、2500mm、5000mm 的球面板，破片為邊長 7.5mm的立方體，板的邊長為破片邊長的10倍。為模擬UHMWPE層合板在發(fā)生大變形時(shí)的層間相對(duì)滑動(dòng)現(xiàn)象，將模型的邊界條件設(shè)置為只限制彈道沖擊方向的位移。忽略破片的變形，將破片定義為剛體。層合板模型由五層wedge6單元構(gòu)成，其中三層為UHMWPE復(fù)合材料，每層厚度為1mm，兩層為黏結(jié)層，厚度0.5mm，以模擬UHMWPE受剪切和拉伸破壞以及層間開裂情況。有限元模型如圖5所示。

圖5 不同曲率層合板彈道侵徹有限元模型Fig.5 Ballistic penetration FEM models of different curvature

表3 UHMWPE層主要材料參數(shù)Tab.3 Main material parameters of UHMWPE layer

UHMWPE層材料為三維各向正交異性彈性材料模式(DMATOR)，使用最大等效應(yīng)力失效。由于UHMWPE復(fù)合材料的特殊屬性，其力學(xué)參數(shù)難以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定，參考文獻(xiàn)［9，10］進(jìn)行了近似處理。UHMWPE的主要材料參數(shù)見表3。

黏結(jié)層材料為彈塑性材料模式(DMAT)，采用最大塑性應(yīng)變失效，主要參數(shù)見表4。

表4 黏結(jié)層主要材料參數(shù)Tab.4 Main material parameters of adhesion layer

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

定義破片的初速度為250 m/s，球面板的入射方向?yàn)橥姑嫒肷?，?jì)算得到各模型中破片的速度－時(shí)間歷程曲線，如圖6所示。從圖中可見，破片侵徹平面板后剩余速度最低，為103.5 m/s。半徑5000mm的球面板剩余速度有所提高，為117.3 m/s。隨著半徑的減小，剩余速度隨之增大，半徑2500mm和500mm球面板的剩余速度分別為131.9 m/s和151.3 m/s，表明吸收的破片動(dòng)能逐漸減少。從侵徹經(jīng)歷的時(shí)間看，平板的侵徹過程最長，隨著半徑減小(將平板的半徑看作無窮大)，侵徹過程也逐漸縮短。因此從以上的結(jié)果可以看出，球面板抗侵徹性能會(huì)隨著半徑的減小而降低。

圖6 破片速度－時(shí)間歷程曲線Fig.6 Fragment velocity variation during impact

圖7為各模型最后一層UHMWPE單元在開始失效前一時(shí)刻的應(yīng)力分布和變形情況，從圖中可以進(jìn)一步分析球面板抗侵徹能力下降的原因。為了方便觀察，將模型沿彈擊點(diǎn)隱去一半。云圖顯示的是Mises應(yīng)力分布情況，四個(gè)模型中各色階對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值完全相同。從各模型應(yīng)力云圖的對(duì)比可以看出，隨著半徑的減小，層合板中應(yīng)力分布的范圍也逐漸縮小，趨向于集中在彈擊點(diǎn)周圍的局部區(qū)域，導(dǎo)致局部應(yīng)力過大而使材料失效。從變形情況看，平面板受彈擊產(chǎn)生的凸包高度和直徑最大，球面板半徑越小，變形的范圍和尺寸也越小，表明初始曲率對(duì)變形產(chǎn)生了限制作用，使材料參與拉伸吸能的比例下降。模型受彈擊產(chǎn)生凸包變形后，邊緣也呈現(xiàn)向中心收縮的現(xiàn)象。以各模型最后一層邊緣中點(diǎn)處的位移進(jìn)行比較，平面板產(chǎn)生的往模型中心方向的位移最大，為0.27mm，隨著模型曲率的增大，邊緣中點(diǎn)處的位移逐漸減小，R=500mm模型的位移為0.14mm。該現(xiàn)象也說明了初始曲率對(duì)模型的變形產(chǎn)生了限制作用，使變形集中在彈擊點(diǎn)附近區(qū)域。

圖7 UHMWPE層應(yīng)力分布與變形情況Fig.7 Stress distribution and deformation of UHMWPE layer

3 結(jié)論

本文對(duì)UHMWPE平面層合板、平面夾芯結(jié)構(gòu)以及球面夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈道侵徹實(shí)驗(yàn)，并采用DYTRAN軟件對(duì)不同曲率層合板進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，得到以下結(jié)論:

(1)破片從UHMWPE球面層合板凸面入射時(shí)，層合板初始曲率會(huì)對(duì)抗侵徹能力產(chǎn)生不利影響。

(2)球面層合板抗彈道侵徹能力與其曲率有關(guān)，曲率越大(半徑越小)，層合板吸收的破片動(dòng)能越少，而且破片侵徹過程也越短。

(3)球面板初始曲率對(duì)變形產(chǎn)生的限制作用，以及導(dǎo)致應(yīng)力集中在彈擊點(diǎn)周圍局部區(qū)域，是造成抗侵徹能力下降的主要原因。

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