復(fù)合材料層合板的抗彈性能模擬分析

賈寶華,劉 翔,顧永強,徐振洋,郭連軍

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.遼寧科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 遼寧 鞍山 114051)

【機械制造與檢測技術(shù)】

復(fù)合材料層合板的抗彈性能模擬分析

賈寶華1,劉 翔1,顧永強1,徐振洋2,郭連軍2

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.遼寧科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 遼寧 鞍山 114051)

采用有限元軟件ABAQUS模擬圓錐頭彈體正沖擊纖維增強復(fù)合材料層合板，分析了不同層數(shù)層合板在不同沖擊速度下，子彈初始速度和剩余速度的關(guān)系以及層合板的等效應(yīng)力云圖和破壞特征云圖。結(jié)果表明：在保持單層板厚度不變時，增大層合板層數(shù)可顯著增強層合板的抗彈性能；子彈的剩余速度與初始速度關(guān)系曲線變化特征為先突變后平緩變化再呈線性關(guān)系；層合板的等效應(yīng)力的最大值由接觸點擴展到四周固定邊界，最后到擊穿區(qū)域周圍局部單元；復(fù)合材料層合板在高速沖擊下直接發(fā)生剪切破壞，而在低速沖擊下先達到一定撓度然后發(fā)生破壞，為纖維拉伸破壞。

數(shù)值模擬；復(fù)合材料層合板；抗彈性能；破壞機制

纖維增強型復(fù)合材料具有較高的比強度、比剛度和良好的吸能特性，被廣泛應(yīng)用于飛機、艦船和車輛的防護等方面，一些纖維復(fù)合材料被用來制作防彈衣，因此其抗彈性能引起廣大研究者的興趣并成為沖擊動力學(xué)領(lǐng)域的一個熱點。層合板是復(fù)合材料經(jīng)過鋪層設(shè)計后，在實際工程中使用的重要形式。Lopez-Puente等[1,2]分別通過實驗和有限元軟件研究了碳纖維層合板在正沖擊和斜沖擊下的侵徹問題，得到了沖擊速度和彈道極限速度之間的關(guān)系。層合板的厚度是影響其抗沖擊性能的重要因素[3-4]。M J N Jacobs等研究表明石墨/環(huán)氧樹脂層合板破壞壓力閥值與厚度呈線性關(guān)系[5]。Espinosa H D等研究表明，碳/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板的最大壓力與侵徹閥值隨著厚度的增加而增加[6]。Wu E 等研究了復(fù)合板的低速沖擊響應(yīng)[7]，表明基質(zhì)內(nèi)多壁碳納米管的存在能顯著提高復(fù)合板的吸能特性和剛度。Wlide A F 等研究得出了編織碳/環(huán)氧納米黏土復(fù)合材料層合板的沖擊損傷小于普通碳/環(huán)氧復(fù)合材料層合板的結(jié)論[8]。本文在前人關(guān)于復(fù)合材料層合板抗沖擊研究的基礎(chǔ)上[9-11]，利用大型有限元軟件ABAQUS建立子彈沖擊復(fù)合材料層合板的有限元模型，分析不同速度下子彈沖擊不同層數(shù)層合板的過程，尋找子彈的初速度與剩余速度的關(guān)系,分析在不同沖擊速度下不同層數(shù)層合板的等效應(yīng)力云圖、層合板的破壞特征圖和子彈初始速度與剩余速度的關(guān)系，研究層合板的抗彈性能規(guī)律，揭示其破壞機制，為復(fù)合材料層合板的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

1 有限元建模和驗證

1.1 有限元建模

1) 層合板模型的建立：本文所用復(fù)合材料層合板采用單層纖維薄片正交疊層鋪設(shè)，通過粘結(jié)和熱力層壓加工而成。層合板的平面尺寸為200 mm×200 mm,單層板厚度為0.7 mm。層合板由單層板疊加而成，疊加鋪層方式為[0/90°]鋪陳,層合板的材料參數(shù)如表1所示，其失效采用Hashin準則。在Abaqus軟件中建立的層合板模型如圖1所示。

表1 層合板材料參數(shù)[12]

圖1 層合板模型

2) 子彈模型的建立：子彈的直徑為7.62 mm,長徑比為2.26，子彈頭為90°的錐形彈。密度為7 800 kg/m3,彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。模型如圖2所示。

圖2 子彈的幾何模型

3) 部件裝配：進行部件創(chuàng)建和屬性定義后，對部件進行裝配，然后采用動力顯示分析。子彈的運動分為兩段，一段是子彈運動到接觸層合板的過程，一段是子彈撞擊層合板的過程；給定運動的總時間。對于整個模型，定義場輸出量有應(yīng)力、應(yīng)變、位移、速度等變量。另外還設(shè)置了歷程輸出變量，對子彈建立集合，輸出其整個過程中Z方向的速度和加速度隨時間變化圖。定義子彈和板的接觸類型為面面接觸。對層合板的四邊進行全約束，使其在三個方向上的位移和轉(zhuǎn)角都為零，即完全固定。對于子彈，定義其在Z方向上的速度，其余方向的速度均不考慮，因此對子彈進行約束，使其V1，V2，VR1，VR2，VR3均為零，部件裝備如圖3所示。

4) 網(wǎng)格劃分：層合板為薄壁結(jié)構(gòu)，采用S4R殼單元，為增加模擬結(jié)果的精度，對沖擊區(qū)域進行加密處理，得到層合板的網(wǎng)格劃分模型如圖4(a)所示。子彈采用C3D8R實體單元，共劃分820個單元,其網(wǎng)格劃分模型如圖4(b)所示。

圖3 部件裝配結(jié)構(gòu)

圖4 層合板和子彈網(wǎng)格劃分模型

5) 提交計算：進入作業(yè)創(chuàng)建界面，創(chuàng)建作業(yè)名，提交作業(yè)，進行計算。

1.2 模型驗證

分別建立10層和20層的纖維層合板受沖擊時的計算模型。為了和文獻[12]模擬條件一致，采用不同厚度的單層板進行鋪陳，保持10層和20層板的總厚度相同，均為 7 mm。鋪層方式保持一致，為[0/90°]鋪陳。采用不同的沖擊速度沖擊層合板。為了驗證模擬方法的合理性，給子彈施加 150 m/s至300 m/s的初速度，得到不同沖擊速度下子彈的剩余速度，與文獻[12]中的剩余速度進行對比如表2所示，誤差均在5%以內(nèi)，而文獻[12]的模擬結(jié)果與已有實驗結(jié)果和理論計算結(jié)果吻合較好?？梢姳疚慕⒌挠嬎隳Ｐ驼_，分析方法可靠，故可進行不同速度彈體正沖擊復(fù)合材料層合板的模擬分析。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 初始速度與剩余速度的關(guān)系

在單層板厚度相同時，分別進行了12、14、16、18層層合板受沖擊時的模擬，得到初始速度和剩余速度的關(guān)系如圖5所示。

表2 剩余速度值對比

圖5 層數(shù)不同時初速度與剩余速度關(guān)系

在12層板時，初始速度在240 m/s之前，剩余速度基本不變，在240 m/s至260 m/s之間剩余速度發(fā)生突變，在 260 m/s 至650 m/s之間剩余速度平緩變化，在650 m/s之后初速度與剩余速度基本呈線性變化。

在14層板時，初始速度在300 m/s之前，剩余速度基本不變，在300 m/s至320 m/s之間剩余速度發(fā)生突變，在 320 m/s 至700 m/s之間剩余速度平緩變化，在700 m/s之后初速度與剩余速度基本呈線性變化。

在16層板時，初始速度在360 m/s之前，剩余速度基本不變，在360 m/s至380 m/s之間剩余速度發(fā)生突變，在380 m/s至800 m/s之間，剩余速度平緩變化，在800 m/s之后初速度與剩余速度呈線性變化。

在18層板時，初速度在400 m/s之前，剩余速度基本不變，在400 m/s至420 m/s剩余速度發(fā)生突變，在420 m/s至900 m/s之間，剩余速度平緩變化，在900 m/s之后初速度與剩余速度基本呈線性變化。

由此可見，單層板厚度保持不變，雖然層數(shù)不同，但隨著初始速度增加，剩余速度在層合板被擊穿前基本不變，在被擊穿后剩余速度逐漸平緩增大，到達某一速度后，初始速度與剩余速度呈線性關(guān)系。隨著層數(shù)的增加，層合板的抗侵徹性能逐漸增強。當(dāng)保持單層板厚度不變時，增加層數(shù)，即使是在高速下沖擊，復(fù)合材料的抗彈性能依然能提高。

2.2 等效應(yīng)力云圖

12層板總厚度為8.4 mm，為了得到12層板的擊穿臨界速度，分別模擬初始速度從200 m/s到1 000 m/s下子彈對層合板的沖擊，得到此時臨界速度為260 m/s，取接近臨界速度沖擊后層合板的應(yīng)力云圖(如圖6)，從圖6可以看出：隨著時間的增加，層合板的等效應(yīng)力最大值由開始的接觸點逐漸擴展到四周的固定邊界處，最后擴展到擊穿區(qū)域的幾個單元。隨著子彈與層合板的接觸和分離，最大等效應(yīng)力的位置發(fā)生相應(yīng)變化。這是因為材料在承受沖擊荷載時，接觸處承受集中力，此時由于在接觸處接觸面積很小，趨近于零，在復(fù)合材料層合板的中央接觸點位置處產(chǎn)生很大的等效應(yīng)力。隨著沖擊的發(fā)展，子彈與板的接觸面積增加，等效應(yīng)力減小。隨著時間的推移，由接觸面承受的力逐漸轉(zhuǎn)為整個復(fù)合材料層合板承受相應(yīng)的力，所以此時力會向固定邊界傳播。隨著時間增加，層合板的破壞區(qū)域也是逐漸增大，破壞區(qū)域的能量逐漸向四周傳播，子彈對層合板的作用逐漸減小，擊穿區(qū)域的力逐漸變小。但子彈在逐漸穿過復(fù)合材料層合板的過程中，子彈表面與層合板發(fā)生摩擦，使局部某幾個單元等效應(yīng)力最大。

18層板總厚度為12.6 mm，為了得到18層板的擊穿臨界速度，分別模擬初始速度從200 m/s到1 000 m/s速度下子彈對層合板的沖擊，得到此時臨界速度為420 m/s，取臨界速度沖擊下層合板的等效應(yīng)力云圖(圖7)，從圖中可以看出：18層板的等效應(yīng)力傳播方式與12層板相同，隨著時間的增加，最大等效應(yīng)力在13幀時完全傳播到四周，使四周的應(yīng)力大于擊穿區(qū)域。從13幀后四周等效應(yīng)力值趨于平緩減小，此時最大等效應(yīng)力值出現(xiàn)在擊穿區(qū)域的某幾個單元。

2.3 層合板破壞特征

子彈擊穿復(fù)合材料層合板后，層合板的中央?yún)^(qū)域會發(fā)生明顯破壞。分別取260 m/s和1 000 m/s條件下前幾幀等效應(yīng)力云圖進行對比，如圖8(a)和圖8(b)所示：子彈在低速下沖擊層合板，使層合板背面發(fā)生拉伸破壞。即子彈沖擊層合板時，使層合板產(chǎn)生相應(yīng)撓度，由于層合板四周固定，層合板發(fā)生受拉破壞。子彈在高速狀態(tài)下沖擊復(fù)合材料層合板時為直接穿透，使單層板在面內(nèi)剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生平行斷口，導(dǎo)致層合板發(fā)生面內(nèi)剪切破壞。

為了進一步研究18層層合板的破壞特征，分別取 420 m/s 和1 000 m/s下前幾幀等效應(yīng)力云圖進行對比，如圖9(a)和圖9(b)所示：在1 000 m/s時，復(fù)合材料層合板直接被擊穿，而在420 m/s時，復(fù)合材料層合板先產(chǎn)生隆起，后發(fā)生破壞，所以相比12層板，兩者在低速沖擊下復(fù)合材料層合板發(fā)生的都是受拉破壞。

4 結(jié)論

1) 當(dāng)單層板厚度保持不變，對于不同鋪陳層數(shù)的復(fù)合材料層合板，隨著子彈初始速度增加，剩余速度在層合板被擊穿前基本不變，在被擊穿后剩余速度逐漸平緩增大，到達某一速度后，初始速度與剩余速度呈線性關(guān)系。

2) 隨著層數(shù)的增加，層合板的抗侵徹性能逐漸增強。

3) 子彈沖擊復(fù)合材料層合板時，等效應(yīng)力的最大值由接觸點傳到四周固定邊界，再傳到擊穿區(qū)域周圍局部單元。

4) 復(fù)合材料層合板在高速沖擊下發(fā)生剪切破壞，在低速沖擊下先達到一定撓度后發(fā)生破壞，為纖維拉伸破壞。

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(責(zé)任編輯 唐定國)

Numerical Simulation of the Anti-Bullet Property for Composite Laminated Plates

JIA Baohua1， LIU Xiang1， GU Yongqiang1， XU Zhenyang2， GUO Lianjun2

(1.School of Civil Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China;2.School of Mining Engineering, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China)

The finite element software ABAQUS is used to simulate the impact of fiber reinforced composite laminated plates. Equivalent stress nephogram of laminated plates with different layers, failure characteristics of laminated plates and bullet velocity diagram are analyzed at different speeds. The results show thickness of laminates can significantly affect the elastic properties of composite laminated plates. The characters of relationship between the residual velocity and the initial velocity for bullets are the first sudden change, and then have gentle change and have linear relation finally. When the composite laminated plates is under the bullet impact, the maximum value of the equivalent stress carry from the contact point to the fixed boundary around, and then spread to the local element around the breakdown area. The composite laminated plates are directly destroyed of shear failure under high velocity impact; the failure of composite laminated plates under low velocity impact is the tensile failure.

numerical simulation; composite laminated plates; anti-bullet property; damage mechanism

2017-04-20；

2017-05-15 基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51504129)；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項目(2016MS0112)；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)研究項目(NJZY16156)；內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新基金項目(2016QDL-B11)；遼寧省金屬礦產(chǎn)資源綠色開采工程研究中心開放課題基金項目(USTLKFGJ201605)

賈寶華(1978—)，男，博士，講師，主要從事沖擊動力學(xué)和固體材料力學(xué)性能研究。

徐振洋(1982—)，男，博士，副教授。

10.11809/scbgxb2017.08.031

format:JIA Baohua，LIU Xiang，GU Yongqiang,et al.Numerical Simulation of the Anti-Bullet Property for Composite Laminated Plates[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(8):147-152.

TJ04

A

2096-2304(2017)08-0147-06

本文引用格式：賈寶華,劉翔,顧永強,等.復(fù)合材料層合板的抗彈性能模擬分析[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(8):147-152.