基于破片长径比的Kevlar纤维复合材料抗侵彻性能研究

2017-04-21张明原梅妮史明东

河北农机 2017年3期

关键词：破片长径靶板

张明原梅妮史明东

1、铜仁职业技术学院 2、中北大学

基于破片长径比的Kevlar纤维复合材料抗侵彻性能研究

张明1原梅妮2史明东2

1、铜仁职业技术学院 2、中北大学

采用AUTODYN有限元软件，数值模拟不同长径比的破片对10mm厚Kevlar纤维复合材料的侵彻过程，获取了不同长径比的破片侵彻靶板的时间、剩余速度、侵彻方式以及应力分布，该结果对进一步开展研究具有较好的指导意义。

有限元；抗侵彻性能；长径比

1 引言

Kevlar纤维符合材料具有优良的抗冲击性能、抗疲劳性能、动能吸收性以及低密度等特点，并且没有“二次毁伤效应”，因而被广泛应用于装甲防护、车辆防护、人体防护以及其他工程防护领域，其动态力学行为和抗侵彻性能引起了国内外学者的广泛关注[1-5]。

采用有限元模拟了Kevlar纤维复合材料靶板在不同长径比破片冲击下的抗侵彻性能，破片初速度取值346m/s[6]，重点对破片侵彻靶板的时间、剩余速度、侵彻方式以及应力分布等进行了研究。

2 侵彻模型

2.1 几何模型

靶板为Kevlar纤维复合材料，长、宽、厚为120×120× 10mm；破片材料采用35CrMnSi钢板，质量为10g，形状采用圆柱形，长径比λ分别取值1、2、4、6、8、10，形状如图1。

图1 不同长径比的圆柱形破片

2.2 有限元计算模型

因为模型的对称性，靶板与破片均取1/2结构进行模拟计算。实际建模时靶板的尺寸为120×60×10mm。靶板与破片均采用8节点实体网格结构，为了提高模拟计算的效率，在破片与靶板撞击点附近采用致密的网格划分，其余部分采用稀疏的网格划分方式，如图2所示。在对称面上施加对称约束，在靶板侧面施加固定约束。计算过程中采用等效失效应变描述网格的扭曲和侵彻，Kevlar纤维复合靶板采用Puff状态模型描述材料状态的变化，选用Von Miss强度模型进行强度分析；破片采用线性模型描述材料状态的变化，选用Von Miss模型进行强度分析。

图2 弹靶结构有限元模型

3 结果与数据分析

通过数值模拟计算，改变圆柱形破片的长径比，得到了Kevlar复合材料靶板在不同长径比圆柱形破片冲击下的抗侵彻数据，见表1。

表1 不同长径比破片侵彻靶板贯穿时间与破片剩余速度

3.1 不同长径比破片贯穿靶板的时间和剩余速度

破片在质量相同的情况下，长径比的不同，会导致其在侵彻过程中与靶板的接触面积不同，长径比越大，接触面积越小，这就使得靶板上与破片接触处受到的单位面积力越大，从而更容易贯穿靶板，破片贯穿靶板后的剩余速度也越大。表1列出了六组不同长径比破片贯穿靶板后的时间和剩余速度，为了更好地找到其中的规律，根据表1中的数据作长径比与贯穿时间关系图3和长径比λ与剩余速度关系图4。从图3中可以清晰地看出，随着破片长径比的增大，破片贯穿10mm厚Kevlar129复合材料靶板需要的时间越短，但时间减少幅度越来越小；而从图4可以看出，随着破片长径比的增大，破片贯穿靶板后的剩余速度也越来越大，但增加幅度越来越小。

图3 破片长径比与贯穿靶板时间的关系

图4 破片长径比与剩余速度的关系

3.2 破片侵彻方式和应力分布

图5为六种不同长径比的破片贯穿10mm厚Kevlar129复合材料靶板时的状况图。从图中可以看出：①长径比λ=1、2、4、6、8、10的六组模拟中，圆柱形平头破片对靶板的侵彻是一个剪切碰撞过程，破片长径比越小，破片侵彻靶板过程中塞块需要克服的剪切抗力则越小于靶板剩余厚度材料的侵彻抗力，形成的塞块则越大；反之，破片的长径比越大，塞块的剪切抗力却大，形成的塞块则越小，越不明显；②在破片侵彻靶板的过程中，破片不断地挤压靶板，产生了向靶板和破片两个方向传播的冲击波，从图5中破片的应力状况可以看出，传向破片的冲击波在破片的中部容易形成应力集中，并且这种现象随着破片的长径比的增大而变得越来越明显。