超高分子量聚乙烯層合板的彈道沖擊理論模型

　　引言

　　

　　超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維復合材料在彈丸與破片打擊下擁有優異的防護性能，在防護領域有著廣泛的應用。盡管UHMWPE纖維復合材料的彈道性能已經通過實驗和數值方法得到了廣泛的表征，但相應的理論分析仍存在不小的挑戰。

　　

　　為了解決上述問題，武漢紡織大學張瑞講師(第一作者)與西安交通大學韓賓副教授（通訊作者），基于抗侵徹機理建立了UHMWPE纖維層合板的彈道沖擊響應分析模型。通過考慮沖擊壓縮波的反射卸載，將彈丸的漸進侵徹過程分為局部破壞和隆起變形兩個連續階段，并使用應變集中機制與薄膜拉伸機制描述了彈丸速度的衰減過程。該研究成果于2023年5月出版于《International Journal of Mechanical Science》期刊。文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2023.108132。

　　

　　導讀

　　

　　該工作考慮UHMWPE正交鋪層層合板在平頭剛性彈丸沖擊下的動態力學響應。根據實驗與模擬觀察得到的變形破壞機理，將UHMWPE層合板的侵徹過程分為局部破壞和隆起變形兩個連續階段。在局部破壞階段考慮了壓縮應力波及其誘導的應變集中，隆起變形則采用改進的膜拉伸模型進行描述。通過分別建立局部破壞階段的速度-時間關系與隆起變形階段的速度-橫波位置關系，以對UHMWPE層合板的漸進侵徹過程進行描述。

　　

　　

　　

　　圖1 彈丸侵徹UHMWPE層合板的漸進式侵徹過程

　　

　　所建立理論模型中的相關參數均與材料性能相關，通過給出彈丸與層合板的力學與幾何參數后，通過迭代程序可給出彈丸的剩余速度與穿透深度。為了驗證，將理論結果與現有的實驗數據進行了比較，發現對于不同的彈丸質量、彈丸尺寸、層合板型號、厚度，理論預測的彈道極限速度與實驗測量值取得了很好的一致性。

　　

　

　　

　　圖2 理論與實驗結果對比

　　

　　通過理論模型討論了彈丸下方UHMWPE纖維內的應變演化，確定了應變對橫波位置的依賴關系。通過比較不同沖擊速度下的彈道性能，建立了侵徹深度隨著彈丸初速的變化關系，且發現彈道極限附近剩余速度的階躍是由背層纖維達到應變極限所導致的。此外，彈道極限速度前，能量主要在隆起變形階段被吸收，而高于彈道極限速度后，隆起變形對能量吸收的貢獻度減弱。文章的最后，作者量化了關鍵材料性能對彈道性能的影響，發現提高彈道性能最有效的方法是提高纖維的拉伸模量和破壞應變。

　　

　　

　　

　　圖3 沖擊速度對穿透厚度、剩余速度與能量吸收的影響及關鍵材料性能對彈道性能的影響

　　

　　小結

　　

　　文章建立了 UHMWPE正交鋪層層合板在彈丸沖擊作用下的力學分析模型，可用于比較層合板的抗侵徹性能，預測彈丸的穿透深度與剩余速度。與基于能量方法的分析模型相比，該模型能夠揭示變形/破壞過程的物理機制，模型參數與材料特性相關。模型預測得到的彈道極限速度、剩余速度與現有實驗數據吻合較好。

　　

　　作者簡介

　　

　　西安交通大學韓賓副教授團隊、南京航天航空大學盧天健教授團隊，聯合武漢紡織大學張瑞博士團隊，長期致力于輕量化防護材料與結構設計，尤其在超高分子量聚乙烯復合材料UHMWPE相關材料及結構的抗侵徹性能研究方面，積累了關于實驗、仿真與理論分析的豐富經驗。

　　

　　

　　

　　圖4 研究團隊前期關于UHMWPE抗侵徹性能的研究成果

　　

　　參考文獻

　　

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