陶瓷/纖維層間混雜復(fù)合材料彈體沖擊過(guò)程的數(shù)值分析

　　摘要：為指導(dǎo)陶瓷/纖維層間混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于ABAQUS/Explicit建立其彈體沖擊數(shù)值模型，分析彈體速度、加速度、能量變化以及復(fù)合材料的應(yīng)力分布和損傷過(guò)程，揭示抗沖擊機(jī)理。結(jié)果表明：0~3μs彈體速度急劇下降，加速度急劇上升;0~14μs陶瓷阻止彈體，彈體能量損耗;隨后，纖維對(duì)彈體起吸能作用，彈體速度平穩(wěn)下降，加速度大幅度下降且處于波動(dòng)狀態(tài)。甲板上應(yīng)力沿X、Y方向?qū)ΨQ分布;0~14μs甲板出現(xiàn)纖維斷裂和裂痕;20~25μs陶瓷板完全破損;30μs，甲板被擊穿。

　　關(guān)鍵詞：層間混雜復(fù)合材料;沖擊;數(shù)值模擬;ABAQUS;損傷失效

　　0引言眾所周知，復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度、比模量且具有很好的耐熱性能、減震性能、耐腐蝕性能和抗疲勞性能。此外，該材料的可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)等。因此，已廣泛用于航空航天、建筑、交通等領(lǐng)域。復(fù)合材料層合板受到物體沖擊時(shí)，其破壞的原理及其復(fù)雜。Behdinan等[1]利用LS-DYNA有限元軟件，建立三維有限元模型，模擬正常和帶有傾斜角度的彈體穿透陶瓷復(fù)合甲板的能量情況。

　　Hokrieh和Javadpour[2]利用Ansys/Lsdyna模擬軟件研究碳化硼陶瓷和凱芙拉49纖維復(fù)合材料頭盔的彈擊情況，得出了Chocron–Galvez模型理論的正確性。Williams等[3]利用ANYSIS有限元軟件以芳綸纖維為例，研究彈體穿透復(fù)合裝甲的過(guò)程中應(yīng)力的變化情況。

　　Robinson等[4]利用DYNA有限元法研究了子彈對(duì)混雜纖維與單一纖維的抗貫穿能力，探討混雜比例對(duì)吸收能量的影響，獲得了最佳混雜比例的結(jié)論。王云聰?shù)萚5]用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對(duì)凱芙拉纖維層合板進(jìn)行模擬，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了模擬方法和模型的建立是復(fù)合實(shí)際的。陶瓷/纖維層間混雜復(fù)合材料的數(shù)值模擬由于陶瓷的破損后形成的碎片對(duì)彈體的作用較為復(fù)雜。因此，本文應(yīng)用ABAQUS/Explicit有限元軟件，研究陶瓷/纖維層間復(fù)合材料防護(hù)甲板沖擊過(guò)程中彈體的能量的變化、速度的變化、加速度的變化，防護(hù)甲板的應(yīng)力的分布，以及彈體侵徹甲板的過(guò)程，為陶瓷/纖維層間混雜復(fù)合材料甲板的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，以進(jìn)一步提高其防護(hù)能力。

　　1數(shù)值模型

　　1.1模型與網(wǎng)格劃分

　　陶瓷/纖維層間混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)由凱芙拉纖維層、高強(qiáng)玻璃纖維層以及陶瓷層組成。凱芙拉纖維層與高強(qiáng)玻璃纖維層的混雜比例為1：3，纖維的鋪層角度為0°/30°/60°/90°/-60°/-30°/0°。高強(qiáng)玻璃纖維層為迎彈層，其后為陶瓷層，隨后高強(qiáng)玻璃纖維層與陶瓷層間隔放置，各層之間用膠粘劑粘接。

　　由于在沖擊過(guò)程中，主要是彈頭部分起作用。因此，為了提高計(jì)算效率，建模時(shí)將子彈做簡(jiǎn)化處理，利用剛性半球體代替子彈對(duì)甲板的沖擊。基于ABAQUS有限元軟件，采用C3D8R六面體單元對(duì)彈頭進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格數(shù)為532個(gè)。復(fù)合材料甲板的幾何尺寸為：250mm×250mm×6mm，采用傳統(tǒng)殼體單元進(jìn)行建模，網(wǎng)格的劃分方式為漸進(jìn)式的，即網(wǎng)格的密度從沖擊點(diǎn)向防護(hù)甲板外逐漸減小，并對(duì)彈頭與甲板接觸區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，網(wǎng)格數(shù)為9876個(gè)。子彈與甲板之間采用通用接觸且接觸剛度因子設(shè)置為1.0，選擇端部固定邊界條件即(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)。

　　1.2材料屬性與失效準(zhǔn)則

　　1.2.1材料屬性

　　材料甲板的防護(hù)性能是研究的主要對(duì)象。因此，對(duì)于彈體的受力沒(méi)有任何要求，彈體在沖擊過(guò)程中的受力與變形的情況可忽略不計(jì)，可將彈體做鋼化處理。層間混雜復(fù)合材料層合板在宏觀上表現(xiàn)為正交各向異性材料。其中，凱芙拉纖維復(fù)合材料層的屬性、高強(qiáng)度玻璃纖維復(fù)合材料層的屬性、陶瓷材料層的屬性。

　　2結(jié)果與分析

　　利用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析復(fù)合甲板的彈體侵徹過(guò)程，在ABAQUS中采用中心差分法進(jìn)行時(shí)間積分，來(lái)確定控制時(shí)間，時(shí)間設(shè)定為30μs。

　　2.1速度與加速度曲線曲線分析

　　2.1.1速度曲線分析

　　彈體以400m/s的速度沖擊6mm厚的陶瓷纖維/層間混雜復(fù)合材料甲板。陶瓷纖維/層間混雜復(fù)合材料甲板彈體沖擊過(guò)程中，其彈體的速度變化可分為三個(gè)階段：初始階段(0~2.5μs)，曲線的斜率較大，降速很快。原因是：陶瓷纖維/層間混雜復(fù)合材料甲板中較硬的陶瓷背板對(duì)彈體的沖擊起到了阻抗作用，即產(chǎn)生了硬阻止;隨后，彈體的沖擊能量受到纖維復(fù)合材料層中纖維的網(wǎng)狀韌性拉力，即對(duì)其產(chǎn)生吸能的作用;在該階段內(nèi)，彈體的速度迅速降低，是整個(gè)沖擊過(guò)程中速度下降最快的部分;第二階段(3~10μs)，曲線的曲率較大，但彈體速度降低較少。

　　原因是：此時(shí)陶瓷纖維/層間混雜復(fù)合材料甲板中的陶瓷板已經(jīng)基本沖擊破碎，只剩下一部分纖維產(chǎn)生吸能作用，直至速度降到最低。最后階段，曲線基本逐漸趨于平緩，彈體速度基本不再發(fā) 生變化，以末速度繼續(xù)前進(jìn)。

　　2.1.2加速度曲線分析

　　隨著侵徹程度的變化以及碰撞材料的屬性的變化，彈體的加速度隨時(shí)間變化的曲線，彈體的加速度的變化也相對(duì)應(yīng)的分為三個(gè)階段：0~3μs階段、3~25μs階段、25μs~最后階段。其中，在前兩個(gè)階段中，曲線是不穩(wěn)定的，處于波動(dòng)狀態(tài)。并且，在初始階段(對(duì)應(yīng)該階段彈體速度的變化)，彈體的加速度出現(xiàn)驟然增大的現(xiàn)象。與之相應(yīng)的，此時(shí)甲板中的應(yīng)力達(dá)到最大值。直到彈體穿出甲板后，彈體加速度才趨于恒定。

　　2.2應(yīng)力分析

　　在整個(gè)侵徹過(guò)程中甲板應(yīng)力的變化情況。在整個(gè)沖擊過(guò)程中，甲板應(yīng)力分布。主要集中在著彈點(diǎn)，應(yīng)力在甲板中像波紋一樣沿X、Y方向?qū)Τ蕦?duì)稱趨勢(shì)傳播。并且，由圖可知甲板中沿X方向應(yīng)力傳播的面積大于Y方向的，分析其原因是由于纖維復(fù)合材料層合板在鋪設(shè)時(shí)纖維的角度和方向所導(dǎo)致的。所以，若加強(qiáng)甲板X方向彈性模量，即可提高復(fù)合材料甲板的防彈能力。隨著彈體侵徹的深入，復(fù)合材料甲板的受力區(qū)域也隨之增大，20-30μs期間，彈體擊穿復(fù)合材料甲板。

　　2.3彈體侵徹狀態(tài)圖

　　彈體侵徹甲板過(guò)程的模擬，可通過(guò)迭代收斂控制單元格的失效過(guò)程實(shí)現(xiàn)，當(dāng)超過(guò)一個(gè)閥值時(shí)，即表明纖維或甲板的破損，單元格就會(huì)被放棄。在8μs時(shí)，甲板發(fā)生變形，甲板背后出現(xiàn)突起，甲板最外面的高強(qiáng)玻璃纖維層中部分單元出現(xiàn)了失效，但并沒(méi)有發(fā)生完全的斷裂。

　　當(dāng)沖擊發(fā)生14μs時(shí)，彈體即遇到了甲板中的陶瓷背板，此時(shí)，將發(fā)生彈體與陶瓷背板的硬性接觸，陶瓷背板對(duì)彈體進(jìn)行硬阻抗，陶瓷背板此時(shí)開(kāi)始破裂，相應(yīng)地，彈體的速度在此時(shí)也發(fā)生明顯的突變。此時(shí)，纖維斷裂，甲板中出現(xiàn)裂痕。沖擊進(jìn)行到20-25μs時(shí)，陶瓷背板基本完全破損，凱芙拉纖維層和第五層的高強(qiáng)玻璃纖維層的韌性對(duì)彈體起到吸能作用，阻止彈體侵徹。30μs時(shí)，伴隨著纖維的崩斷、分層，甲板被擊穿。

　　2.4彈體能量分析

　　0~14μs是甲板吸能的主要階段，在這期間彈體能量變化的很快，彈體能量急速衰減，總的能量變化量約為7.6J。究其原因主要是該階段陶瓷背板對(duì)抵抗彈體的沖擊發(fā)揮重要作用。之后，彈體能量的變化趨于平緩，原因是：該階段凱芙拉纖維對(duì)彈體能量的吸收起到主要作用，直至甲板被擊穿。

　　復(fù)合材料論文投稿刊物：《兵工學(xué)報(bào)》(Introducing Journal of China Ordnance)雜志創(chuàng)刊于1979年，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主管，由中國(guó)兵工學(xué)會(huì)主辦，國(guó)內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)：11-2176/TJ，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)：1000-1093，國(guó)內(nèi)郵發(fā)代號(hào)：82-144，國(guó)外代號(hào)M381，國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行。

　　3結(jié)論

　　基于ABAQUS建立了彈體沖擊陶瓷/纖維層間混雜復(fù)合材料的數(shù)值分析模型，基于該模型對(duì)彈體沖擊陶瓷/纖維層間混雜復(fù)合材料過(guò)程中彈體的速度、加速度以及能量的變化，甲板的應(yīng)力分布以及甲板的失效過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，結(jié)論如下：①?gòu)楏w沖擊甲板的過(guò)程在30μs內(nèi)完成，這一過(guò)程主要包括兩個(gè)階段：速度、加速度及能量的急劇變化階段和平緩變化階段。0~2.5μs彈體速度急劇下降，2.5~10μs內(nèi)彈體速度減小的較少，隨后速度趨于平穩(wěn);0~3μs，彈體加速度急劇上升，3~25μs加速度下降，且此期間加速度曲線處于波動(dòng)狀態(tài);0~14μs是彈體能量損失的主要階段，隨后能量變化比較緩和。

　　速度、加速度、能量變化的急劇階段，是由于較硬的陶瓷背板對(duì)彈體進(jìn)行硬阻止，平緩階段則由部分纖維起吸能的作用。②甲板應(yīng)力分布主要集中在著彈點(diǎn)，且沿X、Y方向?qū)ΨQ分布，0~14μs時(shí)甲板出現(xiàn)纖維斷裂，甲板出現(xiàn)裂痕。20~25μs時(shí)，陶瓷板完全破損，纖維材料的韌性對(duì)彈體起到吸能作用。在30μs時(shí)，甲板被擊穿。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]Z.Fawaz,W.Zheng,K.Behdinan.Numericalsimulationofnormalandobliqueballisticimpactonceramiccompositearmours[J].CompositeStructures.2004,63(3-4):387-395.

　　[2]ShokriehMM,JavadpourGH.Penetrationanalysisofaprojectileinceramiccompositearmor[J].CompositeStructures.200882(2):269-276.

　　[3]WilliamsK,RezaVaziri.NumericalSimulationoftheBallisticResponseofGRPPlates.J[J].CompositesScienceandTechnology.1998,58(9):1463-1469.

　　[4]BillonHH,RobinsonDJ.ModelsfortheBallisticlmpactofFabricArmour[J].InternationalJournalofImpactEngineering.2001,25(4):411-414.

　　[5]王云聰，何煌，曾首義.Kevlar纖維層合板抗彈性能的數(shù)值模擬[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2011，32(3)：17-20.

　　作者：王曉宏①;張豐發(fā)①;劉長(zhǎng)喜①;王云龍①;畢鳳陽(yáng)①;張東興②

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///jzlw/27654.html