秦溶蔓等：复合结构碳纤维防弹板的防弹性能仿真 1353 板采用胶黏剂压力成型制备，成型压力为5MPa 后背面仿真形貌图，从图中可以看出，模拟冲塞的 上述两种结构的防弹板受冲击后的背板破坏 形态与实验结果比较吻合.表6为两组17mm厚 形态如图11(a)和11(b)所示.从图中可以看出， UHMWPE层合背板与仿真模拟云图背板形变量 装配16mm厚UHMWPE层合板的靶板被击穿， 的对比数据，从表中可以看出，实际层合板背板的 而装配17mm厚UHMWPE层合板的复合防弹 变形高度与仿真云图变形高度基本一致，因此模 板出现冲塞现象未被击穿，图11(c)为装配有 拟对实验结果的预测准确性良好，可为工程实际 17mm厚UHMWPE层合板的复合防弹板受冲击 提供参考 Displacement/(102 mm) (a) (c) 20 .10 080 70 8 0 图11装配有不同厚度UHMWPE层合板的复合防弹板的冲击结果.(a)UHMWPE层合板厚度为16mm:(b)UHMWPE层合板厚度为17mm: (c)UHMWPE层合板厚度为17mm的模拟结果 Fig.11 Projectile velocity of UHMWPE laminate with different thicknesses:(a)UHMWPE laminate thickness is 16 mm;(b)UHMWPE laminate thickness is 17 mm;(c)simulation result of 17 mm UHMWPE laminate 表617 mm UHMWPE层合板与仿真模拟云图的背板背凸形变量 Table 6 Backplate convex variables of 17 mm UHMWPE laminate and simulated cloud image Data type Laminate 1 of 17 mm UHMWPE Laminate 2 of 17 mm UHMWPE Simulation cloud image Height of convex deformation/mm 21.2 21.4 21.5 4结论 到一定程度后，碳纤维复合材料层的厚度对复合 防弹板整体抗侵彻性能的提升效果有限.仿真模 本文探讨了复合防弹板不同陶瓷层厚度、不 同背板材料的抗侵彻能力，使用显式有限元软件 拟分析可知，采用13mm厚SiC陶瓷、5mm厚 ABAQUS/Explicit对弹丸侵彻陶瓷/碳纤维UHMWPE CFRP复合材料、I7mm厚UHMWPE复合材料组 纤维复合防弹板的过程进行仿真模拟，得到如下 成的复合防弹板可有效防御弹丸侵彻，对弹丸动 结论： 能吸收和弹速衰减作用明显 (1)陶瓷层碎裂及其对弹丸的磨蚀作用为复 参考文献 合防弹板的主要能量吸收方式，其中陶瓷层厚度 [1]Chen L,Xu Z W,Li J L,et al.Structure and bullet-proof 为复合防弹板抗侵彻特性的主要影响参数，由仿 mechanism of ballistic composites.J Mater Eng,2010,38(11):94 真结果可知：l3mm厚SiC陶瓷面板可有效抵挡 (陈磊，徐志伟，李嘉禄，等.防弹复合材料结构及其防弹机理 12.7mm穿甲弹的弹丸侵彻 材料工程，2010,38(11)：94) (2)适度的层间黏合力是复合防弹板瞬态吸 [2] Gu B F,Gong L H,Xu G Y.Ballistic resistance mechanism and 能效果的有效保障因素，在一定水平下，层间黏合 performance of UHMWPE composites.Fiber Compos,2006, 力的增加可降低基体损伤面积，有效提高纤维分 23(1):20 层吸能效果，而过强的层间黏合力又不利于复合 (顾冰芳，龚烈航，徐国跃.UHMWPE纤维复合材料防弹机理和 防弹板在弹丸侵彻瞬间的纤维拉伸变形.角度铺 性能.纤维复合材料，2006,23(1)：20) [3] Kurzawa A,Pyka D,Jamroziak K,et al.Analysis of ballistic 层纤维背板比正交铺层纤维背板具有更高的纤维 resistance of composites based on EN AC-44200 aluminum alloy 拉伸失效参与程度，可使复合防弹板获得较佳的 reinforced with Al2O;particles.Compos Struct,2018,201:834 抗侵彻能量吸收效果 [4]Li C,Liu J C.Development and application of advanced (3)复合防弹板抗侵彻过程的吸能增速随着 composite armor technology.New Chem Mater,2004,32(6):46 CFRP板厚度的增加逐渐降低，当CFRP板厚度达 (李超，刘建超.复合材料装甲技术的发展及应用.化工新型材板采用胶黏剂压力成型制备，成型压力为 5 MPa. 上述两种结构的防弹板受冲击后的背板破坏 形态如图 11（a）和 11（b）所示. 从图中可以看出， 装配 16 mm 厚 UHMWPE 层合板的靶板被击穿， 而 装 配 17 mm 厚 UHMWPE 层合板的复合防弹 板出现冲塞现象未被击穿 ， 图 11（ c）为装配有 17 mm 厚 UHMWPE 层合板的复合防弹板受冲击 后背面仿真形貌图，从图中可以看出，模拟冲塞的 形态与实验结果比较吻合. 表 6 为两组 17 mm 厚 UHMWPE 层合背板与仿真模拟云图背板形变量 的对比数据，从表中可以看出，实际层合板背板的 变形高度与仿真云图变形高度基本一致，因此模 拟对实验结果的预测准确性良好，可为工程实际 提供参考. Displacement/(102 mm) 1.20 1.10 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0 (a) (b) (c) 图 11    装配有不同厚度 UHMWPE 层合板的复合防弹板的冲击结果. （a）UHMWPE 层合板厚度为 16 mm；（b）UHMWPE 层合板厚度为 17 mm； （c）UHMWPE 层合板厚度为 17 mm 的模拟结果 Fig.11     Projectile  velocity  of  UHMWPE  laminate  with  different  thicknesses:  (a)  UHMWPE  laminate  thickness  is  16  mm;  (b)  UHMWPE  laminate thickness is 17 mm; (c) simulation result of 17 mm UHMWPE laminate 表 6  17 mm UHMWPE 层合板与仿真模拟云图的背板背凸形变量 Table 6   Backplate convex variables of 17 mm UHMWPE laminate and simulated cloud image Data type Laminate 1 of 17 mm UHMWPE Laminate 2 of 17 mm UHMWPE Simulation cloud image Height of convex deformation/mm 21.2 21.4 21.5 4    结论 本文探讨了复合防弹板不同陶瓷层厚度、不 同背板材料的抗侵彻能力，使用显式有限元软件 ABAQUS/Explicit 对弹丸侵彻陶瓷/碳纤维/UHMWPE 纤维复合防弹板的过程进行仿真模拟，得到如下 结论： （1）陶瓷层碎裂及其对弹丸的磨蚀作用为复 合防弹板的主要能量吸收方式，其中陶瓷层厚度 为复合防弹板抗侵彻特性的主要影响参数，由仿 真结果可知：13 mm 厚 SiC 陶瓷面板可有效抵挡 12.7 mm 穿甲弹的弹丸侵彻. （2）适度的层间黏合力是复合防弹板瞬态吸 能效果的有效保障因素，在一定水平下，层间黏合 力的增加可降低基体损伤面积，有效提高纤维分 层吸能效果，而过强的层间黏合力又不利于复合 防弹板在弹丸侵彻瞬间的纤维拉伸变形. 角度铺 层纤维背板比正交铺层纤维背板具有更高的纤维 拉伸失效参与程度，可使复合防弹板获得较佳的 抗侵彻能量吸收效果. （3）复合防弹板抗侵彻过程的吸能增速随着 CFRP 板厚度的增加逐渐降低，当 CFRP 板厚度达 到一定程度后，碳纤维复合材料层的厚度对复合 防弹板整体抗侵彻性能的提升效果有限. 仿真模 拟分析可知 ，采 用 13  mm 厚 SiC 陶瓷 、 5  mm 厚 CFRP 复合材料、17 mm 厚 UHMWPE 复合材料组 成的复合防弹板可有效防御弹丸侵彻，对弹丸动 能吸收和弹速衰减作用明显. 参    考    文    献 Chen  L,  Xu  Z  W,  Li  J  L,  et  al.  Structure  and  bullet-proof mechanism of ballistic composites. J Mater Eng, 2010, 38（11）: 94 （陈磊, 徐志伟, 李嘉禄, 等. 防弹复合材料结构及其防弹机理. 材料工程, 2010, 38（11）：94） [1] Gu B F, Gong L H, Xu G Y. Ballistic resistance mechanism and performance  of  UHMWPE  composites. Fiber Compos,  2006, 23（1）: 20 （顾冰芳, 龚烈航, 徐国跃. UHMWPE纤维复合材料防弹机理和 性能. 纤维复合材料, 2006, 23（1）：20） [2] Kurzawa  A,  Pyka  D,  Jamroziak  K,  et  al.  Analysis  of  ballistic resistance of composites based on EN AC-44200 aluminum alloy reinforced with Al2O3 particles. Compos Struct, 2018, 201: 834 [3] Li  C,  Liu  J  C.  Development  and  application  of  advanced composite armor technology. New Chem Mater, 2004, 32（6）: 46 （李超, 刘建超. 复合材料装甲技术的发展及应用. 化工新型材 [4] 秦溶蔓等： 复合结构碳纤维防弹板的防弹性能仿真 · 1353 ·