在弹道冲击条件下超高分子量聚乙烯纤维复合材料板破坏模式

作     者：甄泓 肖李军 杜成鑫 宋卫东 

作者机构：北京理工大学爆炸科学与安全防护全国重点实验室 强度与结构完整性全国重点实验室 南京理工大学机械工程学院 

出 版 物：《兵工学报》 (Acta Armamentarii)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

基　　金：国家自然科学基金(12372349、12002049、12172056) 瞬态冲击技术重点实验室基金(6142606211112) 强度与结构完整性全国重点实验室开放基金(LSSIKFJJ202404009) 

主　　题：复合材料 冲击动力学 破坏机理 有限元模拟 

摘      要：超高分子量聚乙烯（UHMWPE）因其轻质和超强的机械性能而广泛应用于防护领域，可以有效抵御弹丸冲击，然而其细观抗侵彻机理及弹道冲击破坏模式还有待进一步研究。本研究主要以二维机织和单向（UD）UHMWPE复合材料为研究对象，建立了考虑纤维复合材料细观结构特征的弹道冲击有限元分析模型，针对不同厚度、不同纤维铺层数的复合材料板开展了正/斜侵彻数值模拟，并与试验结果进行了对比分析，验证了数值模拟结果的可靠性。在此基础上，研究了复合材料板在不同冲击条件下的破坏模式与能量吸收特性。结果表明，不同速度下复合材料板的破坏模式大致相同，速度越低靶板的变形区域越大，靶板吸收的能量越少，这反映了材料在低速冲击下更趋向于发生大范围塑性变形而非局部脆性断裂；随着侵彻角度的减小，弹丸与目标材料的相互作用时间显著增加，促进了能量的传递与吸收。本研究不仅深入探讨了UHMWPE复合材料的弹道冲击力学响应，还明确了不同冲击条件下材料的破坏模式与能量吸收机制，为设计具有高效抗侵彻性能的复合材料靶板提供了坚实的理论基础。