兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (7): 240725-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0725
收稿日期:
2024-08-25
上线日期:
2025-08-12
通讯作者:
基金资助:
ZHEN Hong1, XIAO Lijun1,2,*(), DU Chengxin3, SONG Weidong1
Received:
2024-08-25
Online:
2025-08-12
摘要:
超高分子量聚乙烯因其轻质和超强的机械性能而广泛应用于防护领域,可以有效抵御弹丸冲击,然而其细观抗侵彻机理及弹道冲击破坏模式还有待进一步研究。主要以二维机织和单向超高分子量聚乙烯复合材料为研究对象,建立了考虑纤维复合材料细观结构特征的弹道冲击有限元分析模型,针对不同厚度、不同纤维铺层数的复合材料板开展了正/斜侵彻数值模拟,并与试验结果进行了对比分析,验证了数值模拟结果的可靠性。在此基础上,研究了复合材料板在不同冲击条件下的破坏模式与能量吸收特性。结果表明,不同速度下复合材料板的破坏模式大致相同,速度越低靶板的变形区域越大,靶板吸收的能量越少,这反映了材料在低速冲击下更趋向于发生大范围塑性变形而非局部脆性断裂;随着侵彻角度的减小,弹丸与目标材料的相互作用时间显著增加,促进了能量的传递与吸收。研究不仅深入探讨了超高分子量聚乙烯复合材料的弹道冲击力学响应,还明确了不同冲击条件下材料的破坏模式与能量吸收机制,为设计具有高效抗侵彻性能的复合材料靶板提供了坚实的理论基础。
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参数 | 数值 |
---|---|
密度ρ/(g·cm-3) | 0.97 |
1方向弹性模量E11/GPa | 152.88 |
2方向弹性模量E22/GPa | 1.5288 |
3方向弹性模量E33/GPa | 1.5288 |
泊松比ν12 | 0.3 |
泊松比ν13 | 0.3 |
泊松比ν23 | 0.4 |
1-2方向剪切模量G12/MPa | 300 |
1-3方向剪切模量G13/MPa | 300 |
2-3方向剪切模量G23/MPa | 150 |
失效应力XT/GPa | 3.16 |
表1 UHMWPE纤维材料力学性能[6,19]
Table 1 Mechanical properties of UHMWPE materials[6,19]
参数 | 数值 |
---|---|
密度ρ/(g·cm-3) | 0.97 |
1方向弹性模量E11/GPa | 152.88 |
2方向弹性模量E22/GPa | 1.5288 |
3方向弹性模量E33/GPa | 1.5288 |
泊松比ν12 | 0.3 |
泊松比ν13 | 0.3 |
泊松比ν23 | 0.4 |
1-2方向剪切模量G12/MPa | 300 |
1-3方向剪切模量G13/MPa | 300 |
2-3方向剪切模量G23/MPa | 150 |
失效应力XT/GPa | 3.16 |
参数 | 数值 |
---|---|
Kn/(N·mm-3) | 106 |
Ks/(N·mm-3) | 106 |
Kt/(N·mm-3) | 106 |
N/MPa | 62 |
S,T/MPa | 110 |
Gnc/(N·mm-1) | 280 |
Gsc,Gtc/(N·mm-1) | 495 |
表2 cohesive单元材料参数[24]
Table 2 Material parameters of cohesive units[24]
参数 | 数值 |
---|---|
Kn/(N·mm-3) | 106 |
Ks/(N·mm-3) | 106 |
Kt/(N·mm-3) | 106 |
N/MPa | 62 |
S,T/MPa | 110 |
Gnc/(N·mm-1) | 280 |
Gsc,Gtc/(N·mm-1) | 495 |
初速度/(m·s-1) | 剩余速度/(m·s-1) | 吸收能量/J | 能量吸收率/% |
---|---|---|---|
350 | 332.9 | 26.04 | 9.5 |
600 | 583.4 | 43.81 | 5.4 |
850 | 831.9 | 67.89 | 4.21 |
表3 10层平纹织物板剩余速度对比及能量吸收情况
Table 3 Comparison of residual velocity and energy absorption of 10-layer plain weave fabric plate
初速度/(m·s-1) | 剩余速度/(m·s-1) | 吸收能量/J | 能量吸收率/% |
---|---|---|---|
350 | 332.9 | 26.04 | 9.5 |
600 | 583.4 | 43.81 | 5.4 |
850 | 831.9 | 67.89 | 4.21 |
初速度/(m·s-1) | 剩余速度/(m·s-1) | 吸收能量/J | 能量吸收率/% |
---|---|---|---|
350 | 318.6 | 46.81 | 17.1 |
600 | 552.3 | 122 | 15.3 |
850 | 777.9 | 261.73 | 16.2 |
表4 5mmUD板剩余速度对比及能量吸收情况
Table 4 Comparison of residual velocity and energy absorption of 5mm UD plate
初速度/(m·s-1) | 剩余速度/(m·s-1) | 吸收能量/J | 能量吸收率/% |
---|---|---|---|
350 | 318.6 | 46.81 | 17.1 |
600 | 552.3 | 122 | 15.3 |
850 | 777.9 | 261.73 | 16.2 |
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