超高分子量聚乙烯层合板的弹道冲击理论模型

　　引言

　　

　　超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维复合材料在弹丸与破片打击下拥有优异的防护性能，在防护领域有着广泛的应用。尽管UHMWPE纤维复合材料的弹道性能已经通过实验和数值方法得到了广泛的表征，但相应的理论分析仍存在不小的挑战。

　　

　　为了解决上述问题，武汉纺织大学张瑞讲师(第一作者)与西安交通大学韩宾副教授（通讯作者），基于抗侵彻机理建立了UHMWPE纤维层合板的弹道冲击响应分析模型。通过考虑冲击压缩波的反射卸载，将弹丸的渐进侵彻过程分为局部破坏和隆起变形两个连续阶段，并使用应变集中机制与薄膜拉伸机制描述了弹丸速度的衰减过程。该研究成果于2023年5月出版于《International Journal of Mechanical Science》期刊。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2023.108132。

　　

　　导读

　　

　　该工作考虑UHMWPE正交铺层层合板在平头刚性弹丸冲击下的动态力学响应。根据实验与模拟观察得到的变形破坏机理，将UHMWPE层合板的侵彻过程分为局部破坏和隆起变形两个连续阶段。在局部破坏阶段考虑了压缩应力波及其诱导的应变集中，隆起变形则采用改进的膜拉伸模型进行描述。通过分别建立局部破坏阶段的速度-时间关系与隆起变形阶段的速度-横波位置关系，以对UHMWPE层合板的渐进侵彻过程进行描述。

　　

　　

　　

　　图1 弹丸侵彻UHMWPE层合板的渐进式侵彻过程

　　

　　所建立理论模型中的相关参数均与材料性能相关，通过给出弹丸与层合板的力学与几何参数后，通过迭代程序可给出弹丸的剩余速度与穿透深度。为了验证，将理论结果与现有的实验数据进行了比较，发现对于不同的弹丸质量、弹丸尺寸、层合板型号、厚度，理论预测的弹道极限速度与实验测量值取得了很好的一致性。

　　

　

　　

　　图2 理论与实验结果对比

　　

　　通过理论模型讨论了弹丸下方UHMWPE纤维内的应变演化，确定了应变对横波位置的依赖关系。通过比较不同冲击速度下的弹道性能，建立了侵彻深度随着弹丸初速的变化关系，且发现弹道极限附近剩余速度的阶跃是由背层纤维达到应变极限所导致的。此外，弹道极限速度前，能量主要在隆起变形阶段被吸收，而高于弹道极限速度后，隆起变形对能量吸收的贡献度减弱。文章的最后，作者量化了关键材料性能对弹道性能的影响，发现提高弹道性能最有效的方法是提高纤维的拉伸模量和破坏应变。

　　

　　

　　

　　图3 冲击速度对穿透厚度、剩余速度与能量吸收的影响及关键材料性能对弹道性能的影响

　　

　　小结

　　

　　文章建立了 UHMWPE正交铺层层合板在弹丸冲击作用下的力学分析模型，可用于比较层合板的抗侵彻性能，预测弹丸的穿透深度与剩余速度。与基于能量方法的分析模型相比，该模型能够揭示变形/破坏过程的物理机制，模型参数与材料特性相关。模型预测得到的弹道极限速度、剩余速度与现有实验数据吻合较好。

　　

　　作者简介

　　

　　西安交通大学韩宾副教授团队、南京航天航空大学卢天健教授团队，联合武汉纺织大学张瑞博士团队，长期致力于轻量化防护材料与结构设计，尤其在超高分子量聚乙烯复合材料UHMWPE相关材料及结构的抗侵彻性能研究方面，积累了关于实验、仿真与理论分析的丰富经验。

　　

　　

　　

　　图4 研究团队前期关于UHMWPE抗侵彻性能的研究成果

　　

　　参考文献

　　

　　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.