兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (7): 240709-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0709
龚晓慧1, 饶国宁1,*(), 周如东2, 朱晓丰2, 孔德成2, 孟辰宇1
收稿日期:
2024-08-20
上线日期:
2025-08-12
通讯作者:
GONG Xiaohui1, RAO Guoning1,*(), ZHOU Rudong2, ZHU Xiaofeng2, KONG Decheng2, MENG Chenyu1
Received:
2024-08-20
Online:
2025-08-12
摘要:
为增强和测试材料结构的抗破片侵彻能力,采用聚脲、芳纶纤维和2024-T351铝合金材料,通过喷涂聚脲技术构建了聚脲/纤维铝合金复合防护结构,并对聚脲的力学性能进行测定与分析。通过结构抗破片侵彻试验和数值仿真,比较了不同涂覆厚度和方式下复合材料的防护性能,得出了不同防护结构的弹道极限速度,并分析了材料的破坏模式和机理,进而研究涂层厚度与防护效果之间的关系,确定了最佳涂覆厚度比例。研究结果表明:对于采用2mm聚脲、2mm芳纶纤维涂层的铝合金复合靶板,其局部损伤程度较小;与未涂覆的情况相比,该复合靶板的弹道极限速度提高了96m/s,防护效果提升了36.64%;防护涂层厚度对弹道极限速度的提升效果有限。综合考虑面密度和材料强度等因素,数值仿真结果表明,对于4mm铝合金板的抗破片侵彻结构,聚脲/纤维涂层的最佳厚度为4~6mm,最佳厚度比例为聚脲与芳纶纤维的比例为6:4。
中图分类号:
龚晓慧, 饶国宁, 周如东, 朱晓丰, 孔德成, 孟辰宇. 聚脲/纤维复合结构的抗侵彻性能试验与数值仿真[J]. 兵工学报, 2025, 46(7): 240709-.
GONG Xiaohui, RAO Guoning, ZHOU Rudong, ZHU Xiaofeng, KONG Decheng, MENG Chenyu. Test and Numerical Simulation of Penetration Resistance of Polyurea/fiber Composite Structures[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(7): 240709-.
参数 | 数值 |
---|---|
密度ρ/(g·cm-3) | 1.1 |
弹性模量/MPa | 509 |
泊松比 | 0.41 |
屈服强度/MPa | 7 |
拉伸强度/MPa | 43.1 |
断裂伸长率/% | 270 |
撕裂强度/(N·mm-1) | 122 |
硬度/HD | 65 |
表1 聚脲静态力学性能参数表
Table 1 Parameters of static mechanical properties of polyurea
参数 | 数值 |
---|---|
密度ρ/(g·cm-3) | 1.1 |
弹性模量/MPa | 509 |
泊松比 | 0.41 |
屈服强度/MPa | 7 |
拉伸强度/MPa | 43.1 |
断裂伸长率/% | 270 |
撕裂强度/(N·mm-1) | 122 |
硬度/HD | 65 |
工况 | 靶板结构 | 涂覆方式 | 底材厚度/ mm | 纤维/ mm | 聚脲厚度/ mm | 靶板厚度/ mm | 质量/kg | v50/ (m·s-1) | 防护效果/ % |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | X-1 | 无涂覆 | 4 | 4 | 1.746 | 262 | |||
2 | X-2 | 8 | 3.492 | 308 | 17.55 | ||||
3 | A-1 | 迎弹面涂覆聚脲 | 2 | 6 | 1.993 | 319 | 21.75 | ||
4 | A-2 | 4 | 8 | 2.454 | 327 | 24.81 | |||
5 | AB-1 | 迎弹面涂覆聚脲/纤维 | 2 | 2 | 8 | 2.485 | 358 | 36.64 | |
6 | AB-2 | 迎弹面涂覆多层聚脲/纤维 | 4 | 8 | 2.778 | 321 | 22.52 |
表2 试验工况及复合结构抗破片性能试验v50计算结果
Table 2 Test conditions and v50 calculation results of anti-fragment performance test of composite structure
工况 | 靶板结构 | 涂覆方式 | 底材厚度/ mm | 纤维/ mm | 聚脲厚度/ mm | 靶板厚度/ mm | 质量/kg | v50/ (m·s-1) | 防护效果/ % |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | X-1 | 无涂覆 | 4 | 4 | 1.746 | 262 | |||
2 | X-2 | 8 | 3.492 | 308 | 17.55 | ||||
3 | A-1 | 迎弹面涂覆聚脲 | 2 | 6 | 1.993 | 319 | 21.75 | ||
4 | A-2 | 4 | 8 | 2.454 | 327 | 24.81 | |||
5 | AB-1 | 迎弹面涂覆聚脲/纤维 | 2 | 2 | 8 | 2.485 | 358 | 36.64 | |
6 | AB-2 | 迎弹面涂覆多层聚脲/纤维 | 4 | 8 | 2.778 | 321 | 22.52 |
靶板结构 | 迎弹面 | 背弹面 |
---|---|---|
X-1 | | |
X-2 | | |
A-1 | | |
A-2 | | |
AB-1 | | |
AB-1 | | |
AB-2 | | |
表3 复合靶板抗破片试验结果
Table 3 Anti-fragment test results of composite target plate
靶板结构 | 迎弹面 | 背弹面 |
---|---|---|
X-1 | | |
X-2 | | |
A-1 | | |
A-2 | | |
AB-1 | | |
AB-1 | | |
AB-2 | | |
靶板结构 | 示意图 | 靶板侵彻状态 | 材料类型 | ||
---|---|---|---|---|---|
铝合金 | 聚脲 | 芳纶纤维 | |||
X-1、X-2 | 穿透 | 剪切冲塞 | |||
未穿透 | 迎:留弹坑 背:鼓包 | ||||
A-1、A-2 | | 未穿透(卡在聚脲层) | 鼓包 | 剪切冲塞 | |
未穿透 | 局部花瓣形破碎 | 碎片剥落 | |||
穿透 | 呈规则圆形小孔,四周轻微花瓣破碎样 | 形变恢复,轻微碎片剥落 | |||
AB-1 | | 未穿透 | 鼓包 | 碎片剥落 | 弯曲、拉伸断裂;分层 |
穿透 | 花瓣形破碎、开裂 | 形变恢复,仅少部分碎片剥落 | 弯曲、拉伸断裂;分层 | ||
铝板背弹面涂覆 聚脲/芳纶纤维 | | 未穿透 | 剪切冲塞 | 拉伸断裂、碎片剥落 | 先剪切再弯曲、拉伸断裂;分层 |
穿透 | 剪切冲塞 | 形变无法恢复、碎片剥落 | 先剪切再弯曲、拉伸断裂;分层 |
表4 材料在不同靶板结构中的破坏模式
Table 4 Failure modes of materials in different target structures
靶板结构 | 示意图 | 靶板侵彻状态 | 材料类型 | ||
---|---|---|---|---|---|
铝合金 | 聚脲 | 芳纶纤维 | |||
X-1、X-2 | 穿透 | 剪切冲塞 | |||
未穿透 | 迎:留弹坑 背:鼓包 | ||||
A-1、A-2 | | 未穿透(卡在聚脲层) | 鼓包 | 剪切冲塞 | |
未穿透 | 局部花瓣形破碎 | 碎片剥落 | |||
穿透 | 呈规则圆形小孔,四周轻微花瓣破碎样 | 形变恢复,轻微碎片剥落 | |||
AB-1 | | 未穿透 | 鼓包 | 碎片剥落 | 弯曲、拉伸断裂;分层 |
穿透 | 花瓣形破碎、开裂 | 形变恢复,仅少部分碎片剥落 | 弯曲、拉伸断裂;分层 | ||
铝板背弹面涂覆 聚脲/芳纶纤维 | | 未穿透 | 剪切冲塞 | 拉伸断裂、碎片剥落 | 先剪切再弯曲、拉伸断裂;分层 |
穿透 | 剪切冲塞 | 形变无法恢复、碎片剥落 | 先剪切再弯曲、拉伸断裂;分层 |
材料 | 密度/ (g·cm-3) | 剪切 模量 /kPa | 屈服 应力/ GPa | 硬化 常数/ GPa | 硬化 指数 | 应变 率常 数 | 热软 化指 数 | 熔化 温度/ K | 参考 应变 率/ s-1 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
铝合 金板 | 2.785 | 0.276 | 0.265 | 0.426 | 0.34 | 0.015 | 1.00 | 775 | 1.00 |
破片 | 7.75 | 0.82 | 0.496 | 0.434 | 0.307 | 0.0084 | 0.804 |
表5 Johnson-Cook模型参数[27-28]
Table 5 Parameters of Johnson-Cook model[27-28]
材料 | 密度/ (g·cm-3) | 剪切 模量 /kPa | 屈服 应力/ GPa | 硬化 常数/ GPa | 硬化 指数 | 应变 率常 数 | 热软 化指 数 | 熔化 温度/ K | 参考 应变 率/ s-1 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
铝合 金板 | 2.785 | 0.276 | 0.265 | 0.426 | 0.34 | 0.015 | 1.00 | 775 | 1.00 |
破片 | 7.75 | 0.82 | 0.496 | 0.434 | 0.307 | 0.0084 | 0.804 |
材料 | 密度/ (g·cm-3) | 参数 A1/Pa | 参数 A2/Pa | 参数 A3/Pa | Grüneisen 系数 | 膨胀 系数 | 升华能量/ (J·g-1) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
芳纶 纤维 | 1.29 | 8.21 | 70.36 | 0.00 | 0.35 | 0.25 | 8230 |
表6 Puff模型参数[29]
Table 6 Parameters of Puff model[29]
材料 | 密度/ (g·cm-3) | 参数 A1/Pa | 参数 A2/Pa | 参数 A3/Pa | Grüneisen 系数 | 膨胀 系数 | 升华能量/ (J·g-1) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
芳纶 纤维 | 1.29 | 8.21 | 70.36 | 0.00 | 0.35 | 0.25 | 8230 |
材料 | 失效准则 | 侵蚀准则 |
---|---|---|
铝合金板 | 1.36 | 1.36 |
破片 | 1.60 | 1.60 |
表7 材料失效模型参数
Table 7 Parameters of material failure model
材料 | 失效准则 | 侵蚀准则 |
---|---|---|
铝合金板 | 1.36 | 1.36 |
破片 | 1.60 | 1.60 |
序号 | 靶板结构 | 试验测试弹 道极限速度/ (m·s-1) | 数值仿真弹 道极限速度/ (m·s-1) | 残差值/ (m·s-1) | 标准化 残差值 |
---|---|---|---|---|---|
1 | X-1 | 262 | 273 | 11 | 1.441 |
2 | A-1 | 319 | 298 | -21 | -0.865 |
3 | A-2 | 327 | 315 | -12 | -0.216 |
4 | AB-1 | 358 | 344 | -14 | -0.360 |
表8 数值仿真结果的残差与标准化残差值
Table 8 Residual and standardized residual values of numerical simulation results
序号 | 靶板结构 | 试验测试弹 道极限速度/ (m·s-1) | 数值仿真弹 道极限速度/ (m·s-1) | 残差值/ (m·s-1) | 标准化 残差值 |
---|---|---|---|---|---|
1 | X-1 | 262 | 273 | 11 | 1.441 |
2 | A-1 | 319 | 298 | -21 | -0.865 |
3 | A-2 | 327 | 315 | -12 | -0.216 |
4 | AB-1 | 358 | 344 | -14 | -0.360 |
聚脲涂层厚度/mm | 芳纶纤维涂层厚度/mm | 面密度/(kg·m-2) | v50/(m·s-1) | 防护效果/% | v50相对增益/% |
---|---|---|---|---|---|
0 | 0 | 11.14 | 273 | 0 | 0 |
1.0 | 1.0 | 16.32 | 295 | 8.06 | 8.06 |
1.5 | 1.5 | 20.30 | 318 | 16.48 | 7.80 |
2.0 | 2.0 | 24.28 | 344 | 26.01 | 8.18 |
2.5 | 2.5 | 28.26 | 368 | 34.80 | 6.98 |
3.0 | 3.0 | 32.24 | 392 | 43.59 | 6.52 |
3.5 | 3.5 | 36.22 | 406 | 48.72 | 3.57 |
4.0 | 4.0 | 40.20 | 418 | 53.11 | 2.96 |
4.5 | 4.5 | 44.18 | 423 | 54.95 | 1.20 |
5.0 | 5.0 | 48.16 | 428 | 56.78 | 1.18 |
表9 不同防护层厚度下结构的弹道极限速度模拟结果
Table 9 Simulated results of ballistic limit velocity of structures with different thicknesses of protective layer
聚脲涂层厚度/mm | 芳纶纤维涂层厚度/mm | 面密度/(kg·m-2) | v50/(m·s-1) | 防护效果/% | v50相对增益/% |
---|---|---|---|---|---|
0 | 0 | 11.14 | 273 | 0 | 0 |
1.0 | 1.0 | 16.32 | 295 | 8.06 | 8.06 |
1.5 | 1.5 | 20.30 | 318 | 16.48 | 7.80 |
2.0 | 2.0 | 24.28 | 344 | 26.01 | 8.18 |
2.5 | 2.5 | 28.26 | 368 | 34.80 | 6.98 |
3.0 | 3.0 | 32.24 | 392 | 43.59 | 6.52 |
3.5 | 3.5 | 36.22 | 406 | 48.72 | 3.57 |
4.0 | 4.0 | 40.20 | 418 | 53.11 | 2.96 |
4.5 | 4.5 | 44.18 | 423 | 54.95 | 1.20 |
5.0 | 5.0 | 48.16 | 428 | 56.78 | 1.18 |
聚脲涂层 厚度/mm | 纤维涂层 厚度/mm | v50/ (m·s-1) | vs/ (m·s-1) | 速度降低 幅度/% |
---|---|---|---|---|
0 | 6.0 | 368 | 132 | -73.60 |
0.6 | 5.4 | 370 | 129 | -74.20 |
1.2 | 4.8 | 375 | 125 | -75.00 |
1.8 | 4.2 | 383 | 121 | -75.80 |
2.4 | 3.6 | 388 | 119 | -76.20 |
3.0 | 3.0 | 392 | 116 | -76.80 |
3.6 | 2.4 | 394 | 113 | -77.40 |
4.2 | 1.8 | 391 | 117 | -76.60 |
4.8 | 1.2 | 385 | 119 | -76.20 |
5.4 | 0.6 | 381 | 121 | -75.80 |
6.0 | 0 | 378 | 124 | -75.20 |
表10 不同比例的聚脲和芳纶纤维在6mm防护厚度下的弹道极限速度、剩余速度模拟结果
Table 10 Simulated results of ballistic limit velocity and residual velocity of different proportions of polyurea and aramid fibers under 6mm protective thickness
聚脲涂层 厚度/mm | 纤维涂层 厚度/mm | v50/ (m·s-1) | vs/ (m·s-1) | 速度降低 幅度/% |
---|---|---|---|---|
0 | 6.0 | 368 | 132 | -73.60 |
0.6 | 5.4 | 370 | 129 | -74.20 |
1.2 | 4.8 | 375 | 125 | -75.00 |
1.8 | 4.2 | 383 | 121 | -75.80 |
2.4 | 3.6 | 388 | 119 | -76.20 |
3.0 | 3.0 | 392 | 116 | -76.80 |
3.6 | 2.4 | 394 | 113 | -77.40 |
4.2 | 1.8 | 391 | 117 | -76.60 |
4.8 | 1.2 | 385 | 119 | -76.20 |
5.4 | 0.6 | 381 | 121 | -75.80 |
6.0 | 0 | 378 | 124 | -75.20 |
[1] |
戴银所, 邬建华, 龚华栋, 等. 爆炸、冲击防护材料复合结构研究进展[J]. 土木工程, 2016, 5(4):131-138.
|
|
|
[2] |
龚臣成, 陈艳, 戴兰宏. 聚脲弹性体力学性能与本构关系研究进展[J]. 力学学报, 2023, 55(1):1-23.
|
|
|
[3] |
|
[4] |
赵延杰, 刘建湖, 汪俊, 等. 聚脲在舰船结构抗爆防护中的应用研究进展[J]. 船舶力学, 2022, 26(4):595-607.
|
|
|
[5] |
冯加和, 董奇, 张刘成, 等. 聚脲弹性体在爆炸防护中的研究进展[J]. 含能材料, 2020, 28(4):277-290.
|
|
|
[6] |
毛柳伟, 万昌召, 陈长海, 等. 低硬度聚脲/钢板复合结构抗高速破片侵彻机理试验[J]. 北京理工大学学报, 2022, 42(10):1017-1025.
|
|
|
[7] |
肖颍杰, 石少卿, 刘盈丰, 等. 聚脲钢板复合层抗枪弹侵彻性能研究[J]. 材料导报, 2022, 36(23):216-222.
|
|
|
[8] |
金浩法, 吕平, 黄微波, 等. 聚脲-钢板复合结构抗冲击性能试验与有限元模拟[J]. 低温建筑技术, 2021, 43(1):58-62.
|
|
|
[9] |
|
[10] |
邓希旻, 武海军, 朱学亮, 等. 聚脲金属基复合结构在低速冲击下的动态响应研究[J]. 兵工学报, 2017, 38(增刊1):60-65.
|
|
|
[11] |
周玄, 徐立志, 任文科, 等. Kevlar29纱线动态拉伸力学性能与本构方程[J]. 爆炸与冲击, 2024, 44(1):49-61.
|
|
|
[12] |
蔺晓红, 张涛, 张小波, 等. 碳纤维增强铝合金板的抗冲击性能[J]. 爆炸与冲击, 2013, 33(3):303-310.
|
|
|
[13] |
|
[14] |
金子奇. 聚脲涂层-超高分子量聚乙烯复合靶板抗侵彻性能研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2023.
|
|
|
[15] |
赵鹏铎, 黄阳洋, 王志军, 等. 聚脲涂层复合结构抗破片侵彻效能研究[J]. 兵器装备工程学报, 2018, 39(8):1-7.
|
|
|
[16] |
张鹏, 王志军, 赵鹏铎, 等. 聚脲弹性体涂覆结构抗侵性能与层间作用机制研究[J]. 北京理工大学学报, 2019, 39(4):337-342,358.
|
|
|
[17] |
姚潞, 何文涛, 马岩, 等. 基于多尺度损伤机制的CFRP铝合金粘接板冲击行为研究[J]. 复合材料学报, 2024, 41(4):2167-2179.
|
|
|
[18] |
方春月, 刘紫璇, 贾立霞, 等. 双等离子体改性超高分子量聚乙烯复合材料的弹道响应[J]. 纺织学报, 2024, 45(2):77-84.
|
|
|
[19] |
丛超男, 朱文清, 刘俊杰, 等. 纤维增强复合材料弹道极限速度理论与数值模型研究进展[J]. 科学通报, 2024, 69(22):3238-3251.
|
|
|
[20] |
邓云飞, 张伟, 曹宗胜, 等. 叠层顺序对双层A3钢薄板抗侵彻性能的影响[J]. 爆炸与冲击, 2013, 33(3):263-268.
|
|
|
[21] |
纤维增强复合材料抗破片模拟弹性能试验方法V50法:GB/T 32497—2016[S]. 北京: 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局/中国国家标准化管理委员会, 2016.
|
Test method of ballistic resistance against fragment simulating projectiles for fiber-reinforced composites—V50 method:GB/T 32497—2016 [S]. Beijing: General Administration of Quality Supervision,Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China/National Standardization Administration, 2016. (in Chinese)
|
|
[22] |
王礼立. 应力波基础[M]. 北京: 国防工业出版社, 2005.
|
|
|
[23] |
贾子健, 王舒, 陈亚旭, 等. 准静态及动态载荷加载下聚脲材料的力学性能[J]. 兵工学报, 2021, 42(增刊1):151-158.
|
|
|
[24] |
刘文礼, 杜修力, 李亮, 等. 聚脲材料动态力学性能试验研究[J]. 应用力学学报, 2024, 41(2):309-317.
|
|
|
[25] |
王晓强, 朱锡, 梅志远, 等. 陶瓷/船用钢抗破片模拟弹侵彻的实验研究[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2011, 32(5):555-559,588.
|
|
|
[26] |
钱伟长. 穿甲力学[M]. 北京: 国防工业出版社,1984:10-11.
|
|
|
[27] |
王琳, 王富耻, 王鲁, 等. 空心弹体侵彻金属靶板的数值模拟和试验研究[J]. 兵器材料科学与工程, 2001, 24(6):13-17.
|
|
|
[28] |
|
[29] |
徐豫新, 戴文喜, 王树山, 等. 纤维增强复合材料三明治板破片穿甲数值仿真[J]. 振动与冲击, 2014, 33(2):134-140.
|
|
[1] | 马东, 王成, 邵楠, 韦建树. 冲击波与破片联合加载下聚脲增强多层抗爆结构的防护特性[J]. 兵工学报, 2025, 46(7): 240798-. |
[2] | 何金, 杨彬, 王迎春, 迟宏宵, 周健, 程兴旺. 深冷时间对低碳高合金马氏体钢组织性能的影响[J]. 兵工学报, 2025, 46(6): 240532-. |
[3] | 张巍, 张杰. Y3Al5O12对热压烧结B4C陶瓷微观组织及力学性能的影响[J]. 兵工学报, 2025, 46(3): 240117-. |
[4] | 杨帆, 秦子尚, 李达诚, 胡兆财, 解维华, 孟松鹤. 布立冈型螺旋纤维仿生复合材料动静态力学行为[J]. 兵工学报, 2025, 46(2): 240118-. |
[5] | 马立, 范霁康, 张建, 从保强, 杨东青, 彭勇, 王克鸿. 超音频脉冲电流叠加对高氮钢GMA增材制造组织性能的影响[J]. 兵工学报, 2025, 46(1): 231097-. |
[6] | 李祥辉, 张兴渝, 胡家豪, 刘洋, 马伯翰, 王永刚, 蒋招绣. AISI 4340钢靶大塑性模型及断裂起始模型参数研究[J]. 兵工学报, 2025, 46(1): 231210-. |
[7] | 高茂国, 刘睿, 郭岩松, 耿恒恒, 陈鹏万. HfZrTiTaAl系高熵合金动态变形、损伤及破坏行为[J]. 兵工学报, 2025, 46(1): 231183-. |
[8] | 张见升, 景建斌, 孙浩, 王西泉, 李波. 爆炸荷载下预应力T型梁毁伤效应数值仿真分析[J]. 兵工学报, 2024, 45(S2): 193-198. |
[9] | 李鹏飞, 夏洪利, 侯川玉, 周宇琦, 缪海斌. 基于光滑粒子流体动力学数值仿真方法的武器系统冲击损伤虚拟试验[J]. 兵工学报, 2024, 45(S2): 208-214. |
[10] | 王雅君, 郁锐, 李伟兵, 李文彬. 杆式EFP侵彻特性及其影响因素研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(S1): 174-182. |
[11] | 徐跃跃, 张向荣, 高家乐, 刘战伟, 苗飞超, 刘攀, 周霖. DNP基熔铸炸药的力学性能和失效准则[J]. 兵工学报, 2024, 45(9): 3114-3124. |
[12] | 曹路晴, 乔扬, 谢晶, 陈鹏万. 石墨烯气凝胶的压缩力学性能研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(7): 2364-2373. |
[13] | 韩瑞, 李晓鹏, 彭勇, 闫德俊, 王克鸿. SiCp/2024Al复合材料热挤压对激光焊接接头组织性能的影响[J]. 兵工学报, 2024, 45(6): 2054-2064. |
[14] | 刘保华, 徐文龙, 王成, 杨同会, 葛萌. 接触爆炸下聚脲涂层增强钢板的抗爆性能[J]. 兵工学报, 2024, 45(5): 1637-1647. |
[15] | 项新梅, 罗林林, 符祖书, 何世珠. 梯度模式对Miura-ori超材料力学性能影响的研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(2): 618-627. |
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