引言
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維復(fù)合材料在彈丸與破片打擊下?lián)碛袃?yōu)異的防護性能，在防護領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。盡管UHMWPE纖維復(fù)合材料的彈道性能已經(jīng)通過實驗和數(shù)值方法得到了廣泛的表征，但相應(yīng)的理論分析仍存在不小的挑戰(zhàn)。
為了解決上述問題，武漢紡織大學(xué)張瑞講師(第一作者)與西安交通大學(xué)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(yīng)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(xù)階段，并使用應(yīng)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(dǎo)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(tài)力學(xué)響應(yīng)。根據(jù)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(xù)階段。在局部破壞階段考慮了壓縮應(yīng)力波及其誘導(dǎo)的應(yīng)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(guān)系與隆起變形階段的速度-橫波位置關(guān)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(guān)參數(shù)均與材料性能相關(guān)，通過給出彈丸與層合板的力學(xué)與幾何參數(shù)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(jié)果與現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)進行了比較，發(fā)現(xiàn)對于不同的彈丸質(zhì)量、彈丸尺寸、層合板型號、厚度，理論預(yù)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(jié)果對比
通過理論模型討論了彈丸下方UHMWPE纖維內(nèi)的應(yīng)變演化，確定了應(yīng)變對橫波位置的依賴關(guān)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(guān)系，且發(fā)現(xiàn)彈道極限附近剩余速度的階躍是由背層纖維達到應(yīng)變極限所導(dǎo)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(guān)鍵材料性能對彈道性能的影響，發(fā)現(xiàn)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(yīng)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(guān)鍵材料性能對彈道性能的影響
小結(jié)
文章建立了 UHMWPE正交鋪層層合板在彈丸沖擊作用下的力學(xué)分析模型，可用于比較層合板的抗侵徹性能，預(yù)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(shù)與材料特性相關(guān)。模型預(yù)測得到的彈道極限速度、剩余速度與現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)吻合較好。
作者簡介
西安交通大學(xué)韓賓副教授團隊、南京航天航空大學(xué)盧天健教授團隊，聯(lián)合武漢紡織大學(xué)張瑞博士團隊，長期致力于輕量化防護材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計，尤其在超高分子量聚乙烯復(fù)合材料UHMWPE相關(guān)材料及結(jié)構(gòu)的抗侵徹性能研究方面，積累了關(guān)于實驗、仿真與理論分析的豐富經(jīng)驗。
圖4 研究團隊前期關(guān)于UHMWPE抗侵徹性能的研究成果
參考文獻
Rui Zhang, Bin Han*, Yi Zhou, Lu-Sheng Qiang, Chun-Zheng Zhao, Zhen-Yu Zhao, Qian-Cheng Zhang, Yuan-Yuan Ju, Tian Jian Lu*. Mechanism-driven analytical modelling of UHMWPE laminates under ballistic impact[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2023, 245: 108132.
Rui Zhang, Bin Han*, Yi Zhou, Lu-Sheng Qiang, Qi Zhang, Qian-Cheng Zhang, Tian Jian Lu*. Ballistic performance of ultralight multifunctional cellular sandwich plates with UHMWPE fiber metal laminate skins[J]. Composite Structures, 2023, 304:116390.
Rui Zhang, Bin Han*, Jun-Yang Zhong, Lu-Sheng Qiang, Chang-Ye Ni, Qi Zhang, Qian-Cheng Zhang, Bin-Chao Li, Tian Jian Lu*. Enhanced ballistic resistance of multilayered cross-ply UHMWPE laminated plates[J]. International Journal of Impact Engineering, 2022, 159:104035.
Chun-Zheng Zhao, Lu-Sheng Qiang, Rui Zhang*, Qian-Cheng Zhang, Jun-Yang Zhong, Zhen-Yu Zhao, Tian Jian Lu. Dynamic response of UHMWPE plates under combined shock and fragment loading. Defence Technology, 2022.
Zhong-Nan Zhao, Bin Han*, Rui Zhang, Qi Zhang, Qian-Cheng Zhang, Chang-Ye Ni, Tian Jian Lu*. Enhancement of UHMWPE encapsulation on the ballistic performance of bi-layer mosaic armors[J]. Composites Part B, 2021, 221:109023.
Rui Zhang, Lu-Sheng Qiang, Bin Han, Zhen-Yu Zhao, Qian-Cheng Zhang, Chang-Ye Ni*, Tian Jian Lu*. Ballistic performance of UHMWPE laminated plates and UHMWPE encapsulated aluminum structures: Numerical simulation[J]. Composite Structures, 2020, 252:112686.
