Acta Armamentarii ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (7): 240709-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0709
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GONG Xiaohui1, RAO Guoning1,*(), ZHOU Rudong2, ZHU Xiaofeng2, KONG Decheng2, MENG Chenyu1
Received:
2024-08-20
Online:
2025-08-12
Contact:
RAO Guoning
CLC Number:
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-.
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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 |
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 |
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 | | |
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 |
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 |
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 |
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 |
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 |
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 |
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 |
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] | WANG Ye, CHEN Huiyan, XI Junqiang, YU Huilong. An Overview of Research on Navigation of Amphibious Vehicle on Water [J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(7): 240156-. |
[2] | LI Qingsong, WANG Lei, ZHAO Ning, ZHANG Xiaotian, ZHANG Lei, WANG Kehong. Finite Element Simulation Analysis and Experimental Study of Arc Additive Frame Structure [J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(7): 240629-. |
[3] | MA Dong, WANG Cheng, SHAO Nan, WEI Jianshu. Strengthening Effect of Polyurea on Multi-layer Blast-resistant Structure Subjected to Combined Action of Shock Wave and Fragments [J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(7): 240798-. |
[4] | YAN Ming, WANG Xinjie, HUANG Fenglei, YOU Sa. Thermal-ignition Response of Warhead Charge and Characteristics of Typical Thermal Protection Structure under Hypersonic Aerodynamic Heating [J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(6): 240401-. |
[5] | HE Jin, YANG Bin, WANG Yingchun, CHI Hongxiao, ZHOU Jian, CHENG Xingwang. Effect of Cryogenic Treatment Time on Microstructure and Mechanical Properties of a Low-carbon High-alloy Martensite Steel [J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(6): 240532-. |
[6] | GAO Pengfei, FAN Jikang, ZHANG Jian, YANG Dongqing, ZHANG Xiaoyong, WANG Kehong. The Influence of Interlayer Temperature on Microstructure and Properties of High Nitrogen Steel Fabricated by Arc Additive Manufacturing [J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(4): 240035-. |
[7] | ZHANG Wei, ZHANG Jie. Effect of Y3Al5O12 on Microstructure and Mechanical Properties of B4C Ceramics Prepared by Hot-press Sintering [J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(3): 240117-. |
[8] | YANG Fan, QIN Zishang, LI Dacheng, HU Zhaocai, XIE Weihua, MENG Songhe. Static and Dynamic Mechanical Behaviors of Bouligand-type Biomimetic Composite Materials [J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(2): 240118-. |
[9] | MA Li, FAN Jikang, ZHANG Jian, CONG Baoqiang, YANG Dongqing, PENG Yong, WANG Kehong. Effect of Ultrasonic Frequency Pulse Current Superposition on the Microstructure and Properties of GMA Additive Manufactured High Nitrogen Steel [J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(1): 231097-. |
[10] | LIU Zhenxian, JIANG Jianwei, LI Mei, XIE Hongwei. High Precision Simulation of the Influence of Pressing Ring on EFP Forming Properties [J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(1): 231193-. |
[11] | LI Xianghui, ZHANG Xingyu, HU Jiahao, LIU Yang, MA Bohan, WANG Yonggang, JIANG Zhaoxiu. Study on the Large Plasticity Model and Fracture Initiation Model Parameters of AISI 4340 Steel Targets [J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(1): 231210-. |
[12] | GAO Maoguo, LIU Rui, GUO Yansong, GENG Hengheng, CHEN Pengwan. Dynamic Deformation,Damage and Failure Behaviors of High-entropy HfZrTiTaAl Alloy [J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(1): 231183-. |
[13] | YANG Xi, FENG Yukun, CHEN Zuogang, ZHANG Yan. Investigation of Navigation Performance and Jet Flow Characteristics of Water-jet Propulsion Vessel in Shallow Water [J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(S2): 123-132. |
[14] | ZHANG Jiansheng, JING Jianbin, SUN Hao, WANG Xiquan, LI Bo. Numerical Simulation and Experimental Study on Damage Effect of Prestressed T-shaped Beam under Blast Load [J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(S2): 193-198. |
[15] | LI Pengfei, XIA Hongli, HOU Chuanyu, ZHOU Yuqi, MIAO Haibin. The Virtual Test of Impact Damage on Weapon SystemBased on SPH Numerical Simulation Method [J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(S2): 208-214. |
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