趙 磊， 劉元坤， 劉 華， 張圣忠， 祁 寧

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

三維機織增強復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)技術學院 紡織服裝學院， 江蘇 鹽城 224005； 2. 鹽城工業(yè)職業(yè)技術學院 江蘇省生態(tài)紡織工程技術研發(fā)中心， 江蘇 鹽城 224005； 3. 北京航天試驗技術研究所， 北京 100074；4. 蘇州大學 現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合材料的單胞模型，探討子彈在三維機織增強復合材料中應力波的傳播發(fā)生過程，對比分析子彈沖擊后邊緣部分的實驗結果和模擬計算結果，并對三維機織增強復合材料的最終破壞模式與常用層合板進行比較。結果表明：子彈在三維機織增強復合材料中的應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，分層現象在三維機織增強復合材料內部沒有發(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，極大地解決了力學工程中常規(guī)材料無法解決的技術性難題，與傳統(tǒng)工程材料相比，兼有質輕，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濟和國防保護的部門，它們的研發(fā)始終受到極大的關注[1-3]。很多科研人員發(fā)現，分層破壞是平面層壓復合材料的彈道沖擊損傷的主要形式，很顯然與因復合材料內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構來制備三維機織增強復合材料比層壓復合材料(層合板)有更強大的沖擊損傷極限。

目前有關三維機織增強復合材料的力學性能破壞研究較多，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合材料與層合增強復合材料進行了比較；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合材料，得出三維增強復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)產生的分層導致的，而復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合材料性能的研究基本集中在對層壓復合材料上，或者研究三維紡織正交機織增強復合材料的拉伸、彎曲性能[7-9]，涉及三維機織增強復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合材料中應力波的傳播發(fā)生過程，對比分析子彈沖擊后邊緣部分的實驗結果和模擬計算的結果，并對三維機織增強復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：經紗和緯紗在水平面相互有規(guī)律的交錯排列，保持復合材料骨架的平面性能，與它們相連的結構紗線束起到穩(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合材料不同層之間有較高的剪切強度，減少分層現象的產生，從而提高復合材料的耐沖擊性。三維機織增強體的結構如圖1所示。經紗、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現象發(fā)生，經紗與緯紗維持在相同平面內。

圖1 三維增強機織物結構簡圖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，經紗和緯紗采用北京天興陶瓷復合材料有限公司加工的無捻無堿E玻璃纖維，基本參數如表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)下可以產生膠聯，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 三維機織增強復合材料的成型

三維機織物增強307-3不飽和聚酯樹脂復合材料的制備采用真空輔助樹脂模塑成型法即VARTM技術，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 三維機織增強復合材料經向斷面圖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

依據三維機織增強結構復合材料的微觀特性，創(chuàng)建了復合材料的單胞模型，如圖5所示，分別以子彈入射速度749、658、606、488、397 m/s沖擊復合材料，研究子彈在復合材料內部產生的沖擊變形和破壞。因為三維機增強復合材料的微觀結構不均勻，所以可將此近似看成宏觀的連續(xù)介質。結合FORTRAN語言，在彈塑性本構關系的基礎上，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合材料的各組分進行應力更新計算等，數值模擬計算彈道沖擊，最后得到有限元計算結果。

1.3.2 材料參數的確定

三維機織增強復合材料試樣中，不飽和聚酯樹脂、玻璃纖維及芳綸[13]相關技術參數如表2～4所示。彈體的力學基本參數：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，所以其彈性常數不多，以Z=0作為對稱平面，那么X、Y、Z三軸正方向的常數與相反方向的常數一致，T、C、S分別表示拉伸、壓縮、剪切性能。

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

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

表4 基體的力學基本參數Tab.4 Basic mechanic parameters of matrix

2 結果與討論

2.1 應力-時間曲線

以三維機織增強復合材料邊緣上的單元進行應力分析，圖6示出模型中節(jié)點典型位置。圖7示出三維機織復合材料應力波的傳播發(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合材料最臨近的結構單元，3個點是電腦生成的網格單元代碼。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，應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力也存在上下波動的現象，這就證明了三維機織增強復合材料內部的應力波是迂回發(fā)生反射現象的，在三維機織增強復合材料中，基體起著黏結紗線主體的作用，并起著增韌作用，當基體和增強體之間的黏結作用達到最佳效果時，應力波的反射現象主要與波速有一定的關系，依據J.C.Smith提出的彈道沖擊原理，子彈法向沖擊增強體內部的紗線時，子彈縱波波速c的表達式為若子彈產生較高的縱波波速，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變所產生的能量。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的運動，很明顯纖維產生的拉應變與子彈的沖擊速度緊密相聯，這種迂回反射的現象會增大纖維的拉應變，應變持續(xù)增大就會要求纖維能及時地吸收應變產生的應變能，而且不只在縱向，在纖維縱向垂直的方向上也會出現一個傳播應力，這種傳播與子彈入射是一致的，當它的應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為子彈在高應變率下纖維產生的彈性模量；ρ為增強體紗線的體積密度。

三維機織增強復合材料內的應力波在以一定的速度發(fā)生傳播，因此，當應力波還沒有接觸到三維機織增強復合材料邊緣單元前，N12、N27，N9613 3個節(jié)點上都是沒有應力的，所以在應力-時間圖形上首先存在一段水平直線段，從圖7(b)、(c)可以驗證上述結論。從圖7還可看出，當子彈入射到復合材料的速度越大，產生的應力波動就越大，但在每個應力-時間圖形中，應力都存在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合材料，此時子彈和靶板(三維機織增強復合材料)之間產生的作用力最大，隨后應力逐漸減小，應力波就在三維機織增強復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合材料破壞實物圖。可見，在子彈沖擊過程中，三維機織增強復合材料在平面上的剪切破壞比較少，子彈能順利打入復合材料內部。復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象；彈頭從三維機織增強復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，主要表現為少數增強長絲和樹脂基體因較強的抽拔而產生開裂，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生開裂，而子彈出射面因長絲被拉伸而產生破壞。通過圖8還可發(fā)現，三維機織增強復合材料被子彈破壞的面積比較小，復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合材料的彎曲撓度小，所以只能在厚度方向上產生拉伸破壞的現象，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層與層之間的聯結力比較小，導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，即所謂的分層現象[14-15]。

圖8 三維機織增強復合材料破壞實物圖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合材料既能減少層層之間的剪切破壞現象，又能較好地抵抗子彈射入復合材料(靶體)內。

2.3 模擬形態(tài)與實際觀測比較

圖10示出復合材料破壞形態(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合材料最終破壞的俯視圖，由圖可知，三維機織增強復合材料內部基本沒有出現分層的地方，不過分層現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。三維機織增強復合材料在子彈高速沖擊下模擬計算出的側面最終破壞后的局部放大圖如圖11所示。

圖10 復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面放大圖Fig.11 Enlarged impacted graph after simulation of composite

3 結 論

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

2)子彈在三維機織增強復合材料的沖擊面，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，主要表現為少數增強長絲和樹脂基體因較強的抽拔而產生開裂。

3)子彈入射后，分層現象在三維機織增強復合材料內部沒有發(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。

[1] 王夢遠, 曹海建, 錢坤, 等. 三維機織間隔復合材料結構對其力學性能的影響[J]. 工程塑料應用, 2014,42(11):53-58. WANG Mengyuan, CAO Haijian, QIAN Kun, et al. Effect of structure of three dimensional woven distance composites on mechanical properties[J].Engineering Plastics Application, 2014, 42(11): 53-58.

[2] 王前文，趙磊，姚桂香，等. 亞麻纖維增強聚丙烯基復合材料的隔聲性能研究[J]. 玻璃鋼/復合材料, 2014(6): 66-70. WANG Qianwen，ZHAO Lei，YAO Guixiang, et al. Acoustic properties of polypropylene composites reinforced by flax fiber [J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites, 2014, (6): 66-70.

[3] 趙磊. 黃麻/碳混雜增強復合材料力學性能的理論預測與測試[J]. 產業(yè)用紡織品, 2010(5): 7-12. ZHAO Lei. The theoretical value and test value of the mechanical properties of jute/carbon hybrid reinforced composites [J]. Technical Textiles, 2010(5): 7-12.

[4] ARENDTS FJ, DRECHSLER K, BRANDT J. The application of three-dimensional reinforced fiber-preforms to improve the properties of composites[C]//Ko F. Proceedings of the 34th International SAMPE Symposium. Nevada:[s.n.], 1989: 2118-2129.

[5] YAO L, LI WB, WANG N, et al. Tensile impact and dielectric properties of three dimensional orthogonal aramid/glass fiber hybrid composites [J]. Journal of Materials Science, 2007, 42(16): 6494-6500.

[6] COX BN, DADKHAH MS, MORRIS WL, et al. Failure mechanisms of 3-D woven composites in tension, compression, and bending [J]. Acta Metallurgica Et Materialia, 1994, 42(12): 3967-3984.

[7] 高旭東, 馬貴春, 姚君. 三維機織復合材料力學性能研究[J]. 機械工程與自動化, 2013(2):220-222. GAO Xudong, MA Guichun, YAO Jun.Study on Mechanical properties of 3-D woven composites[J]. Mechanical Engineering & Automation, 2013(2):220-222.

[8] HU J．3-D Fibrous Assemblies: Properties，Applications and Modelling of Three-dimensional Textile Struc-tures [M].Cambridge: Woodhead Publishing Limited，2008: 1-32.

[9] 王春霞, 宋孝浜, 金利民. 三維角聯鎖機織復合材料三點彎曲破壞的有限元計算[J]. 紡織學報，2014,35 (3): 41-45． WANG Chunxia，SONG Xiaobang，JIN Limin．Finite element calculation for three-point bending damage of three-dimensional angle-interlock woven compo-sites [J]. Journal of Textile Research，2014,35 (3): 41-45．

[10] 宋孝浜，金利民，王春霞．單向復合材料沖擊破壞模擬[J]. 紡織學報，2012,33 (10): 47-50． SONG Xiaobang，JIN Limin，WANG Chunxia．Impact damage modeling of unidirectional composite [J]. Journal of Textile Research，2012,33 (10): 47-50．

[11] 宋孝浜，金利民，王春霞．單向復合材料及純樹脂材料抗沖擊性能的比較[J]. 紡織學報，2012,33 (6): 15-19. SONG Xiaobang, JIN Limin, WANG Chunxia. Comparative analysis of impact resistance between unidirectional composite and pure resin materialt[J].Journal of Textile Research，2012,33(6):15-19．

[12] 杜梅，王春霞，董凱，等．基于有限元的芯材增強材料抗沖擊性能分析[J]. 紡織學報，2015,36(8): 62-67. DU Mei, WANG Chunxia, DONG Kai,et al.Analysis of impact resistance of core structural reinforcement composite based on finite element analysis[J].Journal of Textile Research，2015,36 (8): 62-67．

[13] 劉元坤，許冬梅，艾青松，等．芳綸無緯布連續(xù)化生產工藝方法與研究[J]. 纖維復合材料，2014(4): 8-13． LIU Yuankun，XU Dongmei，AI Qingsong，et al．Process methods and research on the aramid uni-direction cloth continuous production [J]. Fiber Composites，2014(4): 8-13.

[14] FLANAGAN MP, ZIKRY MA, WALL JW, et al. An experimental investigation of high velocity impact and penetration failure modes in textile composites [J]. Journal of Composite Materials, 1999, 33(12): 1080-1103.

[15] KEMP GP, BANNISTER MK, HERAZBERG I, et al. The manufacture and testing of 3D multilayer woven I-beams[C]//SCOTT M L. Proceedings of ICCM-11. Gold Coast:[s.n.], 1997: 287-296.

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)聯合會科技指導性項目(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)及新技術的應用。E-mail：zhaolei7365@163.com。

TB 332; TS 101.923.1

A