SiC陶瓷/混杂复合纤维防弹插板弹道侵彻性能研究

作     者：李世岳 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗家元

授予年度：2024年

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] 

主      题：纤维混杂 损伤机理 吸能特性 应力波 侵彻性能 

摘      要：现代防弹插板需要轻质化及高强度功能并存,为解决防弹插板质量较大所导致机动性能的降低,国内外学者对其结构、材料等方面进行了大量研究,以陶瓷作为面板、高纤维复合材料或金属材料作为背板的组合成为了当今满足轻质化和高强化的主流。 本文从防护结构高强化出发,对SiC陶瓷/层间混杂纤维复合材料进行多元结构设计。探究防弹插板在侵彻阶段的力学响应规律、损伤机理以及抗冲击性能,为高性能防弹插板提供新的设计研发思路。 基于复合材料基体的渐进损伤本构及Hashin-3D失效准则,在复合材料层合板间粘接层引入cohesive内聚力层间损伤本构建立子弹侵彻防弹插板数值模拟模型,利用文献实验数据验证该模型的准确性;在此基础上,在等密度约束条件下建立不同背板材料（超高分子量聚乙烯、合金）组合的防弹插板模型,探究陶瓷在不同子弹速度下的抗侵彻性能,从应力波演变、陶瓷锥形成及陶瓷层吸能等方面进行对比分析,结果显示,等密度下超高分子量聚乙烯作为背板时插板的抗侵彻性能表现更佳,同时形成的陶瓷锥大小与子弹速度正相关。 基于Hashin-3D失效准则对abaqus进行VUMAT子程序二次开发,对复合背板材料芳纶以及超高分子量聚乙烯进行弹道侵彻仿真,探究复合材料损伤失效机理、吸能特性及其铺层结构对内部应力波的影响。结果显示两种背板材料最高的弹道极限性能在正交结构[0/90]10n铺层下,相比于其他三种铺层角度的弹道极限性能至少提高3.9%。 对防弹插板的复合材料背板进行芳纶/超高分子量聚乙烯层间纤维混杂设计,并开展弹道侵彻数值模拟,深入分析探讨了不同结构之间的相互协同效应及其对弹道性能和损伤特性的影响规律。结果显示插板整体抗侵彻性能随着超高分子量聚乙烯UHMWPE比例的增加而提升,Kevlar与UHMWPE的比例为1:9时达到最佳,在防弹插板侵彻温升状态下,Kevlar能够在一定程度上减小损伤变形。