PP/HDPE蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)抗侵徹性能研究

王運(yùn) 陳首 陳自鵬

摘 ? ? ?要： 為研究聚丙烯（PP）和高密度聚乙烯（HDPE）蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)抗侵徹性能，對比了兩種材料拉伸和結(jié)構(gòu)侵徹的試驗(yàn)結(jié)果，并建立有限元模型，進(jìn)行了不同工況下的槍彈侵徹數(shù)值模擬，并分析了試驗(yàn)結(jié)果、模擬中結(jié)構(gòu)的破壞形式和槍彈的侵徹深度。結(jié)果表明：1 000 m·s-1的槍彈對蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)的侵徹深度在30 cm左右，僅達(dá)到該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度的一半，顯示了很好的抗侵徹性能;另外，相較于聚丙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)，高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)在被槍彈侵徹后破壞更小，結(jié)構(gòu)完整性保持更好，對抗槍彈二次打擊的能力更強(qiáng)，且有較好的耐久性;同時，高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)對槍彈也有一定的偏航作用，對保護(hù)結(jié)構(gòu)背后的人員有著一定積極作用。

關(guān) ?鍵 ?詞：聚丙烯;高密度聚乙烯;蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu);抗侵徹

中圖分類號：TQ325.1 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）10-2106-06

Abstract： In order to study the anti-penetration performance of polypropylene （PP） and high-density polyethylene （HDPE） honeycomb protection structures， the test results of tensile and structural penetration of the two materials were compared， and the finite element model was established. And then the test results， the destruction forms of the structure and the penetration depth of the bullet in the simulation were analyzed. The results showed that the penetration depth of 1 000 m·s-1 bullet in the honeycomb protection structure was about 30 cm， which was only half of the designed thickness of the structure. In addition， compared with the polypropylene honeycomb protection structure， the high-density polyethylene honeycomb structure had less damage after being penetrated by bullets， better structural integrity， stronger resistance to the second strike of bullets， and better durability. At the same time， the high-density polyethylene honeycomb protection structure also had a certain yaw effect on the bullet， and had a certain positive effect on the personnel behind the protection structure.

Key words： High density polyethylene; Polypropylene; Honeycomb protection structure; Penetration resistance

構(gòu)筑防護(hù)結(jié)構(gòu)是保存有生力量，掩護(hù)武器裝備，抵御敵方火力打擊的重要措施。即便是在現(xiàn)代化作戰(zhàn)方式發(fā)生極大改變、新型作戰(zhàn)裝備大量涌現(xiàn)的今天，防護(hù)結(jié)構(gòu)的使用依舊有著非常重要的作用。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對多種防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。美軍普遍使用一種叫HESCO的網(wǎng)籠堡壘（圖1），其采用鋼絲網(wǎng)籠和內(nèi)襯土工布為預(yù)制構(gòu)件構(gòu)筑的堡壘，可折疊存儲，運(yùn)輸體積小，結(jié)構(gòu)簡單，使用構(gòu)筑快，因此受到各國軍隊(duì)的重視。陶西貴[1]等設(shè)計(jì)了一種能自卸式展開設(shè)置的多用途防護(hù)裝置（圖2），實(shí)現(xiàn)了防護(hù)裝置與自卸裝置的車載機(jī)動運(yùn)輸和裝卸一體化，有效提高了構(gòu)筑效率與防護(hù)抗力的綜合效益。

然而，對于極端惡劣條件下構(gòu)筑防御工事，笨重的構(gòu)件給運(yùn)輸、搬運(yùn)、吊裝和安裝等帶來了極大不便，特別是自然條件艱苦的偏遠(yuǎn)地區(qū)，這嚴(yán)重制約了部隊(duì)機(jī)動設(shè)防的速度和效率。為了使構(gòu)筑防御工事更加便捷高效，聚合物的使用成為了設(shè)計(jì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的一種選擇。聚合物主要分為橡膠、塑料和纖維，而橡膠在力的作用下變形過大不適用于防護(hù)，纖維不易形變不適用于折疊運(yùn)輸，塑料的性質(zhì)處于兩者其間，更適合作為防護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料。偏向橡膠性質(zhì)的軟塑料，特別是聚丙烯和高密度聚乙烯材料，由于其耐酸堿、高強(qiáng)度、高耐磨性和良好的絕緣性，被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。

在理論研究中，國內(nèi)外學(xué)者對這兩種材料進(jìn)行了大量研究，包括聚丙烯的拉伸特性[2]、高密度聚乙烯的拉伸變形研究[3]以及溫濕度影響的研究[4]等。同時，為了提升性能，還研究了鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土等[5]，探索了高密度聚乙烯與納米MgO、麻纖維等材料的結(jié)合[6-10]。KWON[11]等根據(jù)單軸拉伸擬合試驗(yàn)結(jié)果分段描述了高密度聚乙烯的本構(gòu)關(guān)系，馬塞爾[12]等利用Sherwood-Forst本構(gòu)模型研究了高密度聚乙烯的單軸拉伸力學(xué)性能，很好地描述了其力學(xué)特性。另外，國內(nèi)外學(xué)者還對高密度聚乙烯的損傷性能、沖擊后的斷裂行為進(jìn)行了研究[13-15]。

在應(yīng)用研究中，曹蘭付[16]等試驗(yàn)了一種高密度聚乙烯塑料裝配式野戰(zhàn)防爆墻，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)滿足5米外防護(hù)155 mm以下炮彈爆炸的作用。羅偉銘[17]對聚丙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)（圖3）進(jìn)行了槍彈侵徹數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明聚丙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)對侵徹子彈有偏航作用，且該結(jié)構(gòu)對土體施加的側(cè)向約束作用使得結(jié)構(gòu)整體的豎向承載能力大大增加。

石少卿等提出了一種質(zhì)量輕、攜帶便捷、構(gòu)筑快捷的高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)（圖4），該結(jié)構(gòu)每個單元長0.8 m，寬0.6 m，高0.5 m，可重疊設(shè)置多層。陳首[18]等對該結(jié)構(gòu)中高密度聚乙烯膜厚度和子彈入射速度設(shè)置了9種工況進(jìn)行數(shù)值模擬對比分析，結(jié)果表明增加高密度聚乙烯膜厚度能夠在一定程度上增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗侵徹性能，其中4 mm膜厚比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用，以及該結(jié)構(gòu)對入射速度低于1 000 m·s-1的槍彈抗侵徹效果最好。

為了進(jìn)一步研究該蜂窩結(jié)構(gòu)抗侵徹性能，筆者首先對試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行對比分析，然后對聚丙烯和高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了槍彈侵徹數(shù)值模擬分析。

1 ?試驗(yàn)現(xiàn)象分析

1.1 ?材料拉伸試驗(yàn)現(xiàn)象分析

為了得到兩種材料準(zhǔn)確的力學(xué)性能，我們對聚丙烯和高密度聚乙烯兩種材料進(jìn)行了片材拉伸試驗(yàn)。分析試驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，在對聚丙烯片材進(jìn)行拉伸時，隨著拉伸載荷的不斷增加，片材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性關(guān)系，在快要達(dá)到其抗拉強(qiáng)度時，拉伸方向上出現(xiàn)微小的裂縫，隨之整個片材立即發(fā)生劈裂現(xiàn)象，斷裂為線狀塑料絲（圖5）。

對高密度聚乙烯片材進(jìn)行拉伸時，開始應(yīng) ? 力-應(yīng)變曲線也呈線性關(guān)系，但之后出現(xiàn)了較為明顯的屈服，達(dá)到最大拉伸強(qiáng)度后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始明顯下降，其破壞形式不同于聚丙烯片材的撕裂狀，而是另外3種破壞形式（圖6）。

可見，聚丙烯片材表現(xiàn)出明顯的脆性，而高密度聚乙烯則表現(xiàn)出明顯的韌性。另外，經(jīng)過長期的野外堆載，聚丙烯片材容易老化脫落，而高密度聚乙烯片材沒有出現(xiàn)明顯的老化和脫落。

1.2 ?槍彈試驗(yàn)現(xiàn)象分析

在槍彈試驗(yàn)中，兩種結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出了明顯的差別。高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)被槍彈侵徹后（圖7），彈孔主要呈與槍彈半徑差不多的向內(nèi)凹陷的圓孔，沒有明顯的材料撕裂，而聚丙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)被槍彈侵徹后（圖8），彈孔呈長條形的撕裂狀，材料發(fā)生斷裂，并且破壞面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者，使得填充土體外漏，形成較大空腔。

2 ?數(shù)值模擬分析

為了對更多工況下的抗侵徹性能進(jìn)行對比分析，避免大量的試驗(yàn)支出，根據(jù)已有的材料和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了數(shù)值模擬。

2.1 ?模型建立

彈頭模型采用圓形彈頭，入射速度設(shè)定為 ? ?1 000 m·s-1，膜厚度設(shè)定為0.004 m，每個蜂窩結(jié)構(gòu)長度為0.8 m，寬度為0.6 m，高度為0.5 m，槍彈材料選用*MAT_PLASITY_KINEMATIC，高密度聚乙烯膜材料選用*MAT_PLASTICITY_POLYMER，聚丙烯膜材料選用*MAT_COMPOSITE_DAMAGE，土體材料選用*MAT_SOIL_AND_FOAM_FAILURE。

2.2 ?工況設(shè)置

如圖8所示，設(shè)定3個槍彈入射角度，分別為0°、30°、60°方向入射，設(shè)置高密度聚乙烯膜和聚丙烯膜兩種膜材料，共6種工況，如表1所示。

2.3 ?模擬現(xiàn)象分析

2.3.1 ?槍彈0°入射的現(xiàn)象分析

1）工況1：圖9所示為槍彈0°入射聚丙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果。隨著槍彈的入射，聚丙烯膜開始破壞，逐漸撕裂形成入射方向左右寬、上下窄的口子，彈孔中部片狀材料外翻。土體形成與膜破壞形狀相似的空腔，塌落較明顯。槍彈在結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒有明顯的偏航。

2）工況2：圖10所示為槍彈0°入射高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果。槍彈侵徹初期，彈孔周圍高密度聚乙烯膜出現(xiàn)同槍彈直徑略大的向內(nèi)凹陷的孔洞。隨著槍彈侵徹的深入，土體開始破壞，孔洞略有增大，土體內(nèi)出現(xiàn)類似于圓柱體的空腔結(jié)構(gòu)，其大小小于工況1，輪廓外形更加聚攏，內(nèi)部土體塌落程度較小。槍彈在空腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并略向左側(cè)侵徹，同時還向z正方向有一定位移。

2.3.2 ?槍彈30°入射的現(xiàn)象分析

1）工況3：圖11所示為槍彈30°入射聚丙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果。相比0°入射侵徹聚丙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)，破壞主要向右側(cè)發(fā)展，但膜依舊撕裂出左右寬、上下窄的口子，略偏向右側(cè)。槍彈向結(jié)構(gòu)縱深方向的侵徹深度減小，但土體塌落程度較大。同時，槍彈略向z正方向偏移。

2）工況4：圖12所示為槍彈30°入射高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果。與工況2類似，但空腔偏向右側(cè)，縱深方向的侵徹深度減小，孔洞處高密度聚乙烯膜翻起，孔洞較工況2略大。與工況3相比，土體空腔更小，彈頭向右側(cè)侵徹深度也較小，z方向位移相不明顯。

2.3.3 ?槍彈60°入射的現(xiàn)象分析

1）工況5：圖13所示為槍彈60°入射聚丙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果。槍彈入射后，由于入射方向兩側(cè)受力的不均衡，彈頭向右側(cè)轉(zhuǎn)動，很快向外偏航出土體。相較于0°角入射和30°角入射，槍彈侵徹后所形成的空腔主要向右側(cè)延伸，仍然有片狀材料斷裂外翻的情況。

2）工況6：圖14所示為槍彈60°入射高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果。同工況2、4效果相比，侵徹初期，槍彈將高密度聚乙烯膜撕裂開口子后，侵徹入土體，形成了相對于這幾個工況較大的孔洞，但土體空腔較小，并向右側(cè)發(fā)展。而后，在一側(cè)土體的作用下，彈頭同工況5一樣向右側(cè)轉(zhuǎn)動，槍彈向外發(fā)生偏航，以至完全脫離結(jié)構(gòu)，并帶有旋轉(zhuǎn)。期間，高密度聚乙烯膜上出現(xiàn)長條形的拉痕。

2.4 ?模擬數(shù)據(jù)分析

2.4.1 ?槍彈0°入射的現(xiàn)象分析

圖15所示為工況1、2在x、y和z方向的侵徹深度對比。對比x方向侵徹深度，入射聚丙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)時，槍彈向x負(fù)方向的最大侵徹深度約為0.007 58 m，而入射高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)時，槍彈先向x負(fù)方向小距離偏航， 0.000 8 s后突然加速向x負(fù)方向侵徹至-0.040 7 m，其侵徹深度的絕對值比聚丙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)時的侵徹深度絕對值大0.033 12 m。這說明槍彈入射高密度聚乙烯防護(hù)結(jié)構(gòu)更容易被干擾入射形態(tài)而偏航。更大的偏航主要是因?yàn)楦呙芏染垡蚁┠け染郾┠ろg性更大，在槍彈入射時對其作用時間更長，聚丙烯膜的脆性斷裂減短了對槍彈的作用時間。

對比y方向侵徹深度，槍彈在高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)中侵徹深度隨時間變化的斜率更小，侵徹速率更慢。槍彈對高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)在y方向的侵徹深度為0.304 m，而對聚丙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)在y方向的侵徹深度為0.319 m，侵徹深度略微降低。

在z方向的最大深度分別是0.010 9 m和 ?0.011 76 m，差距不大。但從圖表中可以發(fā)現(xiàn)，在高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)中，槍彈更早發(fā)生z方向偏航，也說明了高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)更容易使得槍彈發(fā)生偏航。

2.4.2 ?槍彈30°入射的現(xiàn)象分析

圖16所示為工況3、4在x、y和z方向的侵徹深度對比。對比y方向侵徹深度，槍彈對高密度聚乙烯防護(hù)結(jié)構(gòu)的侵徹深度為0.275 5 m，小于對聚丙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)的侵徹深度0.287 4 m，侵徹深度略有降低，但在x方向上，槍彈對高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)的侵徹深度最大為0.227 6 m，大于對聚丙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)0.174 88 m的侵徹深度，侵徹深度增大了30%，而且侵徹速率大于對聚丙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)的侵徹速率。這說明在槍彈30°入射的工況下高密度聚乙烯對槍彈的偏航作用更加明顯，使得槍彈增加了x方向的侵徹，減少了y方向的侵徹，對結(jié)構(gòu)后方的人員保護(hù)起到了積極作用。

在z方向上，高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)中槍彈只是略微向正方向侵徹了0.008 25 m，而在聚丙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)中為0.002 93 m，也說明高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)對槍彈偏航作用更好。

2.4.3 ?槍彈60°入射的現(xiàn)象分析

圖17所示為工況5、6在x、y和z方向的侵徹深度對比。槍彈在結(jié)構(gòu)中經(jīng)過短暫侵徹后，在 ?0.000 05 s左右偏航出防護(hù)結(jié)構(gòu)。對高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)在x、y和z方向上的最大侵徹深度分別為0.049 8、0.022 4、-0.000 088 m，對聚丙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)在x、y和z方向上的最大侵徹深度分別為0.049 7、0.022 8、0.000 0476 m。侵徹深度不大且相差不明顯，z方向的侵徹深度可以忽略不計(jì)。其主要原因是由于入射角過大，槍彈在侵徹入結(jié)構(gòu)后，很快在左右受力不均衡的條件下偏航出結(jié)構(gòu)體。

表2為槍彈在各工況中x、y和z方向最大侵徹深度的對比。從表中可以發(fā)現(xiàn)，在y方向的最大侵徹深度在30 cm左右，只有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度的一半左右，說明無論是聚丙烯還是高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)對輕武器的抗侵徹性都較好。而在高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)中，槍彈在y方向的侵徹都更小，而x方向侵徹深度更大，對保護(hù)結(jié)構(gòu)背面人員有積極作用。z方向的侵徹深度在兩種材料中差距不大。同時，槍彈入射角度越大，在y方向侵徹就越小，在x方向侵徹就越大。

3 ?結(jié) 論

本文通過對試驗(yàn)結(jié)果和不同工況下的數(shù)值模擬對比分析，得到以下結(jié)論：

1）所研制的高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)可將槍彈在縱深方向的侵徹深度控制在30 cm左右，不到結(jié)構(gòu)厚度的一半，多層的蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)可以很好地對輕武器進(jìn)行防護(hù)。

2）相比聚丙烯材料制作的蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)，高密度聚乙烯蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)在槍彈侵徹時，彈孔更小，材料不易斷裂，內(nèi)部填充物不易飛濺、塌落和外漏，結(jié)構(gòu)完整性保持更好，具備抵抗槍彈多次打擊的能力，同時具有較好的耐久性。

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