高速?gòu)楊^沖擊碳纖維復(fù)合材料防彈衣的仿真研究

明軍

摘 要：本文介紹了子彈彈頭沖擊防彈衣時(shí)子彈能量損耗和防彈材料變形損壞的基本原理，以世界著名的有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA 為仿真分析平臺(tái)，對(duì)高速子彈彈頭撞擊以碳纖維復(fù)合材料為主要材料的防彈衣的過程進(jìn)行數(shù)值仿真分析，分析其在侵徹瞬間60 毫秒內(nèi)彈頭和防彈衣的變形與穿透情況，得出了碳纖維復(fù)合材料防彈衣的受力分布與應(yīng)變結(jié)果。為優(yōu)化子彈彈頭與防彈衣的設(shè)計(jì)提供必要的參數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)進(jìn)一步改進(jìn)復(fù)合抗彈材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料研發(fā)具有指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：碳纖維；有限元分析；彈頭；防彈衣

在戰(zhàn)爭(zhēng)中，防彈衣的使用能有效地降低士兵的傷亡。另外在一些國(guó)家內(nèi)，社會(huì)治安差、暴力事件多，保護(hù)自己免受人身傷害對(duì)于警察甚至普通公民都是至關(guān)重要的?，F(xiàn)代社會(huì)對(duì)于單兵防彈衣的需求日益加大，隨著軍工和材料行業(yè)的飛速發(fā)展，防彈衣的新材料也成出不窮。

防彈纖維一直在向高強(qiáng)度、高模量、細(xì)旦化方向發(fā)展，纖維越細(xì)，制成的防彈衣越柔軟舒適。碳纖維是一種纖維狀碳材料，它是采用高溫分解法，由有機(jī)母體纖維在1000-3000℃的惰性氣體下制成的。碳纖維呈黑色，具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、導(dǎo)電，耐高溫、耐腐蝕、膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)。以碳纖維織物為增強(qiáng)體的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也是制造新型防彈衣的優(yōu)良材料之一。

高速?gòu)楊^侵徹問題是軍工領(lǐng)域研究的熱門課題，對(duì)優(yōu)化防彈衣的的防護(hù)能力有重要意義。本文利用ANSYS/LSDYNA對(duì)橫截面直徑為15mm，長(zhǎng)度為35mm，射速為1300m/s的子彈，垂直射擊周邊固定的，尺寸為200mm×200mm，厚度為15mm的防彈衣材料的過程進(jìn)行數(shù)值仿真分析。

1 侵徹理論分析

當(dāng)子彈或破片擊中織物時(shí)，侵徹的方式有拉伸破壞和剪切破壞兩種，兩種侵徹的發(fā)生主要與子彈或破片的形狀、材質(zhì)、速度有關(guān)。頭部呈圓錐形的子彈射入織物時(shí)，侵徹以拉伸破壞為主；而對(duì)于高速不規(guī)則的破片，則以剪切破壞為主。

子彈擊中織物后，產(chǎn)生縱向波，橫彈織物的編織方式較多地采用平紋，而非斜紋或緞紋。對(duì)于機(jī)織物.纖維在織機(jī)上編織過程中，纖維會(huì)受到損傷；另外，應(yīng)變波在織物面上傳播時(shí)，紗線的連接點(diǎn)會(huì)對(duì)應(yīng)變波進(jìn)行反射，應(yīng)變波的疊加易造成紗線的過度伸長(zhǎng)而斷裂。子彈侵徹復(fù)合材料過程示意圖如下圖1所示

2 侵徹過程的分析算法及軟件概述

侵徹問題屬?zèng)_擊動(dòng)力學(xué)問題涉及到材料非線性，集合非線性，和邊界條件非線性。顯式動(dòng)力學(xué)分析用于求解各種高度非線性問題，特別適合求解各種非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動(dòng)力沖擊問題。它采用差分方法求解動(dòng)力學(xué)方程，該算法不需要計(jì)算總體剛度矩陣，也不需要進(jìn)行平衡迭代，計(jì)算速度快、占用資源少、穩(wěn)定性較好。

ANSYS LS/DYNA是世界著名的顯式動(dòng)力學(xué)分析軟件，它能夠處理復(fù)雜的非線性問題。ANSYS LS/DYNA以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法，本文采用Lagrange 算法求解。在拉格朗日算法中，計(jì)算網(wǎng)格固定在物質(zhì)上隨物質(zhì)一起變形。網(wǎng)格點(diǎn)與物質(zhì)點(diǎn)在物質(zhì)變形過程中始終保持重合，物質(zhì)點(diǎn)與網(wǎng)格點(diǎn)不存在相對(duì)遷移或?qū)α鬟\(yùn)動(dòng)，這大大簡(jiǎn)化了控制方程的求解。

Lagrange方法多用于固體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分析，這種方法以物質(zhì)坐標(biāo)為基礎(chǔ)，其所描述的網(wǎng)格單元將以類似“雕刻”的方式劃分在用于分析的結(jié)構(gòu)上，即是說采用Lagrange方法描述的網(wǎng)格和分析的結(jié)構(gòu)是一體的，有限元節(jié)點(diǎn)即為物質(zhì)點(diǎn)。采用這種方法時(shí)，分析結(jié)構(gòu)的形狀的變化和有限單元網(wǎng)格的變化完全是一致的，物質(zhì)不會(huì)在單元與單元之間發(fā)生流動(dòng)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠非常精確的描述結(jié)構(gòu)邊界的運(yùn)動(dòng)。

3 侵徹過程的有限元分析

子彈彈頭的外殼材料為銅，彈頭使用鋼鉛復(fù)合彈芯，彈頭為實(shí)心型彈頭，防彈衣材料為東麗公司生產(chǎn)的T800HB-6000碳纖維，為了簡(jiǎn)化分析，彈頭和防彈衣材料均視為雙線性彈性塑性帶應(yīng)變失效的材料本構(gòu)模型。數(shù)據(jù)如上表1所示：注：彈頭材料為復(fù)合材料以等效數(shù)據(jù)代替，表中部分?jǐn)?shù)據(jù)來自參考文獻(xiàn)。

該侵徹問題為三維實(shí)體接觸，單元算法選擇單點(diǎn)高斯積分（Const tress）和拉格朗日算法（Lagrange）。由于模型軸對(duì)稱為節(jié)省計(jì)算只建立1/4 模型，為簡(jiǎn)化分析子彈彈頭模型以圓柱體代替，彈頭直徑取15mm，長(zhǎng)度35mm，防彈衣厚度取15mm，彈頭以1300m/s的速度垂直入侵。模型采用三位實(shí)體顯式單元3D Solid 164 進(jìn)行劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分為六面體（Hex）網(wǎng)格。生成PART 后定義接觸算法為面面侵徹算法，即 Contact--Surface to--surf --Eroding（ESTS）。數(shù)值模型單位采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位制。在ANSYS/LS-DYNA 中建立模型劃分網(wǎng)格如圖2所示。

創(chuàng)建子彈與靶板的幾何模型并賦予其材料性質(zhì)之后，定義好接觸，施加周邊固定約束，然后令彈頭初始入侵速度為1 300m/s。然后設(shè)置自循環(huán)、時(shí)間步長(zhǎng)比例、人工體積粘性、求解時(shí)間、結(jié)果文件輸出選項(xiàng)之后，就可以開始求解了。

選擇原始比例顯示位移，查看應(yīng)力變化，結(jié)果如下圖2所示

應(yīng)變?cè)茍D的結(jié)果顯與侵徹理論分析較好的吻合，碳纖維防彈衣復(fù)合材料的變形位移為6.698mm， 材料受到高速?gòu)楊^的沖擊后凹陷深度為6.698mm.由此可確定，在保證不被彈頭穿透防彈單性能前提下，該材料可以較好的吸收高速?gòu)楊^的能量，且材料厚度15mm較輕也較薄，可以改善防彈衣的穿著舒適性。

4 結(jié)論

碳纖維復(fù)合材料防彈衣由多層織物迭合制成，在受到彈丸的沖擊時(shí)應(yīng)力波通過基體和增強(qiáng)材料進(jìn)行擴(kuò)散時(shí)，受界面反射而造成復(fù)合材料分層，從而耗散彈丸的動(dòng)能。利用復(fù)合材料分層吸能的特性，在設(shè)計(jì)一定的面密度防彈材料時(shí)，應(yīng)考慮采用層數(shù)較多、單層面密度較小、彈性模量較高、抗剪模量較高的織物，以增加材料受彈丸沖擊時(shí)的分散能量的效果，從而增加材料的吸能性提高其的抗侵徹性。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐偉.基于ANSYS的彈頭侵徹防彈衣的仿真研究[D] 2011

[2] 尚曉江，蘇建宇.ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力分析方法與工程實(shí)例 [M]2005

[3] 咸興平，劉祿勝，于靜.防彈衣的防護(hù)機(jī)理及防護(hù)性能分析[J]-中國(guó)個(gè)體防護(hù)裝備2007（2）

[4] 陳磊，徐志偉，李嘉祿，等.防彈復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及其防彈機(jī)理[J].材料工程一2001（11）

[5] 王浩，防彈衣及防彈用復(fù)合材料[J]-高科技纖維與應(yīng)用2001，26（5）

[6]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人名交通出版社，2007

[7]劉土光，張濤.彈塑性力學(xué)基礎(chǔ)理論[M].湖北：華中科技大學(xué)，2008，372-379

[8]華東水利學(xué)院.彈性力學(xué)問題的有限單元法[M].北京：水利出版社，1978