山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院　張明　原梅妮　向豐華　王振興

數(shù)值模擬研究Kevlar纖維復(fù)合材料侵徹能量轉(zhuǎn)化過程

山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院張明原梅妮向豐華王振興

采用AUTODYN有限元軟件，數(shù)值模擬了10mm厚的Kevlar纖維復(fù)合材料在不同初速度破片沖擊下的侵徹過程，獲取了系統(tǒng)在彈道極限時的能量轉(zhuǎn)換，并對不同初速度的破片在侵徹過程中的速度變化狀況進(jìn)行了分析。數(shù)值模擬結(jié)果對以后進(jìn)一步研究具有較好的指導(dǎo)意義。

彈道極限；能量轉(zhuǎn)換；Kevlar纖維復(fù)合靶板；有限元

Kevlar纖維復(fù)合材料具有優(yōu)良的抗沖擊性能、抗疲勞性能、動能吸收性及密度低等特點(diǎn)，并且沒有“二次殺傷效應(yīng)”［1］，因而被廣泛應(yīng)用于裝甲防護(hù)、車輛防護(hù)、人體防護(hù)以及工程防護(hù)等重要領(lǐng)域［2］。Kevlar纖維復(fù)合材料在沖擊載荷下的動態(tài)力學(xué)行為和抗侵徹性能引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

采用有限元模擬了Kevlar纖維靶板在不同初速度下的抗侵徹性能，重點(diǎn)對能量轉(zhuǎn)換和破片速度衰減兩個角度進(jìn)行了研究。

1侵徹模型

1.1幾何模型

靶板為Kevlar纖維復(fù)合材料，尺寸為120mm×120mm× 10mm；碎片材料為35CrMnSi鋼，采用破片模擬彈丸，重量10g。彈體垂直射入靶板中心位置。

1.2有限元計算模型

因結(jié)構(gòu)形狀和載荷的對稱性，取1/2結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計算。實際建模時靶板尺寸為120mm×60mm×10mm。采用8節(jié)點(diǎn)實體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，模型共分為94800個單元，其中Kevlar纖維復(fù)合靶板劃分為72000個單元，破片劃分為22800個單元。在模擬過程中為了提高計算效率，在破片與靶板撞擊附近區(qū)域采用密致的網(wǎng)格劃分，其余部分采用稀疏的網(wǎng)格劃分。除在對稱面上施加對稱約束外，在靶板的側(cè)面施加邊界約束，用以模擬靶板四周被固定情況。計算過程中，采用等效失效應(yīng)變描述網(wǎng)格的扭曲和侵徹。彈靶結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1　彈靶結(jié)構(gòu)模型

1.3材料模型

有限元計算中，Kevlar纖維復(fù)合靶板采用Puff狀態(tài)模型描述材料狀態(tài)變化，選用Von Mises強(qiáng)度模型進(jìn)行強(qiáng)度分析，材料參數(shù)列于表1中；破片采用線性模型描述材料狀態(tài)的變化，選用Von Mises模型進(jìn)行強(qiáng)度分析，材料及參數(shù)列于表2。表中數(shù)據(jù)均采用cm-g-us-K。

表1　Kevlar纖維復(fù)合靶板的材料參數(shù)［3］

表2　破片的材料模型參數(shù)［3］

2模擬結(jié)果與分析

2.1侵徹過程演化

通過數(shù)值模擬，獲得了破片對Kevlar纖維復(fù)合靶板的侵徹過程。圖2是初速度vi分別為330m/s和360m/s時破片對Kevlar纖維復(fù)合靶板不同時刻的侵徹狀態(tài)。其中破片初速度vi=330m/s時，破片未能完全貫穿纖維復(fù)合靶板，而破片初速度為vi=360m/s時，纖維復(fù)合靶板被完全貫穿。如圖2-a（左側(cè)），時間t=0μs時，破片動能最大，隨著侵徹的進(jìn)行，當(dāng)時間t=78μs時破片的動能減小到零，這時候破片侵徹的深度達(dá)到最大值，隨后破片將受到靶板勢能的作用而被反彈，破片向相反方向運(yùn)動。相反，如圖2-b（右側(cè)），破片速度大于彈道極限，隨著破片對靶板的不斷侵蝕，t=70us時靶板最終被貫穿。

圖2　破片侵徹靶板過程

2.2系統(tǒng)侵徹中的能量轉(zhuǎn)換

破片對厚為10mm的Kevlar纖維復(fù)合靶板的侵徹過程是一個能量衰減和轉(zhuǎn)換過程，在破片初速度為彈道極限時，彈靶系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換如圖3所示，在破片與靶板碰撞之前，靶板的內(nèi)能、破片的內(nèi)能為零，此時破片的動能即為彈靶系統(tǒng)的總能量；隨著碰撞的進(jìn)行，破片的動能除了一部分耗散以外，其他的都開始轉(zhuǎn)化為破片的內(nèi)能、靶板的內(nèi)能以及破片剩下的動能；當(dāng)破片貫穿靶板時刻，破片的動能為零，此時能量完全轉(zhuǎn)化為破片的內(nèi)能和靶板的內(nèi)能。因為在侵徹過程中產(chǎn)生了由系統(tǒng)、環(huán)境等因素引起的耗能，最后系統(tǒng)的總能量小于系統(tǒng)初始能量。

圖3　破片貫穿靶板的能量轉(zhuǎn)換

3結(jié)論與建議

通過對破片垂直侵徹10mm厚Kevlar纖維復(fù)合靶板的數(shù)值模擬，再現(xiàn)了穿甲Kevlar纖維復(fù)合靶板在不同時刻的能量轉(zhuǎn)換、侵徹與貫穿情況。這對以后進(jìn)一步研究Kevlar纖維復(fù)合材料靶板的抗彈性能有一定的指導(dǎo)意義。

［1］虢忠仁，杜文澤，鐘蔚華等.芳綸復(fù)合材料對球形彈丸的抗貫穿性能研究［J］.兵工學(xué)報，2010，（04）：458-463.

［2］周楠，王金相，謝君等.破片形狀對復(fù)合靶抗侵徹性能影響的實驗研究［J］.彈道學(xué)報，］2014，（02）：95-99.

［3］徐豫新，王樹山，嚴(yán)文康等.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料三明治板的破片穿甲實驗［J］.復(fù)合材料學(xué)報，2012，（03）：72-78.