·1350 工程科学学报，第43卷，第10期 2.2黏结力参数对复合防弹板抗侵彻性能的影响 基体与纤维结合能力下降，纤维在弹击作用下易 增强纤维与树脂基体之间的界面脱黏是复合 产生滑移影响抗侵彻性能，而黏合力增加能使纤 材料防弹板消耗弹丸侵彻能量的另一种关键形 维分层破坏过程中吸收能量更多，在逐层破坏的 式.本文的界面分层作用通过接触属性定义复合 同时将弹丸的层间破坏通过界面脱黏吸能，使其 防弹板层间黏性行为和损伤参数进行模拟，所用 弹速下降更明显.但也有研究表明叫，过强黏合力 标准黏结力参数如表4所示，其中，Mode I代表子 会阻碍纤维受外力作用时的拉伸变形导致吸能减 弹冲击方向，Mode IⅡ和Mode III代表垂直于子弹 少，因此，适当降低界面黏结度有利于提高冲击韧 冲击方向的平面内以弹着点为中心的垂直两向 性当黏合力弱时，裂纹端部出现脱黏，当黏合 本节讨论黏结力强弱对靶板抗侵彻性能的影响， 力强时，纤维冲断和纤维端部应力松弛吸收能量， 将表4中的黏合力分别上调和下调了20%以模拟 适中的黏合力能使靶板吸收更多能量 强弱不同的层间作用力.图3为不同层间黏合力 表4黏合力参数 下第10层纤维板基体拉伸损伤云图，可知随着黏 Table4 Parameters of the cohesive layers 合力增加，基体损伤面积减小，分层面积也随之减 Mode Normalised elastic Inter-laminar Inter-laminar fracture 小.图4为不同层间作用力下弹速随时间变化曲 modulus/(GPa'mm)strength /MPa toughness/(kJ-m) 线，由图4可知，黏合力上调20%的靶板与标准靶 Mode I 1373.3 493.3 493.3 板、黏合力下调20%的靶板相比，弹丸残余速度 Mode Il 62.3 92.3 92.3 分别降低了3.46%和7.19%.这是因为黏合力低， ModeⅢl 0.28 0.79 0.79 (b) (c) Damage coefficient/10- 9.00 8.25 7.50 6.75 9 只50 3.75 3.00 2.25 150 X 0.75 0 图3不同黏合力下基体所受拉伸损伤面积.(a)黏合力下调20%：(b)标准黏合力：(c)黏合力上调209% Fig.3 Tensile damage to the matrix under different adhesion forces:(a)20%decrease in adhesion;(b)standard adhesion;(c)20%increase in adhesion 900 高，M6OJB纤维拉伸模量最高，M40JB纤维各项数 Adhesive strength reduced by 20% 据适中，图5为不同碳纤维种类下弹丸动能随时 800 -Adhesive strength unchanged Adhesive strength increased by 20% 间变化曲线，M40JB吸能最多，M6OJB吸能最少， 700 T700SC吸能介于二者之间，使用M40B的装甲板 600 的吸能约比使用M60JB和T700SC分别高7.09% 和4.56%. 500 表5不同种类碳纤维性能参数 400 Table 5 Performance parameters of carbon fiber Tensile Tensile 100150200 Density Elongation/ 0 50 250 Designation Strength/ Modulus/ Time/us MPa GPa (g.cm) % 图4不同黏合力下弹速随时间变化曲线 T700SC 4900 230 1.8 2.1 Fig.4 Projectile velocity with different adhesive strengths M40JB 4400 377 1.75 1.2 M60JB 3820 588 1.93 0.7 2.3碳纤维种类对复合防弹板抗侵彻性能的影响 本节对T700SC、M40JB和M60JB三种碳纤维 由模拟结果可知，拉伸模量和拉伸强度都会 抗冲击性能进行比较，不同种类碳纤维性能如 影响碳纤维的抗侵彻性能，高强高模、断裂伸长率 表5所示.T700SC纤维拉伸强度和断裂伸长率最 高的碳纤维防弹性能更好.这是因为弹着点附近2.2    黏结力参数对复合防弹板抗侵彻性能的影响 增强纤维与树脂基体之间的界面脱黏是复合 材料防弹板消耗弹丸侵彻能量的另一种关键形 式. 本文的界面分层作用通过接触属性定义复合 防弹板层间黏性行为和损伤参数进行模拟，所用 标准黏结力参数如表 4 所示，其中，Mode I 代表子 弹冲击方向，Mode II 和 Mode III 代表垂直于子弹 冲击方向的平面内以弹着点为中心的垂直两向. 本节讨论黏结力强弱对靶板抗侵彻性能的影响， 将表 4 中的黏合力分别上调和下调了 20% 以模拟 强弱不同的层间作用力. 图 3 为不同层间黏合力 下第 10 层纤维板基体拉伸损伤云图，可知随着黏 合力增加，基体损伤面积减小，分层面积也随之减 小. 图 4 为不同层间作用力下弹速随时间变化曲 线，由图 4 可知，黏合力上调 20% 的靶板与标准靶 板、黏合力下调 20% 的靶板相比，弹丸残余速度 分别降低了 3.46% 和 7.19%. 这是因为黏合力低， 基体与纤维结合能力下降，纤维在弹击作用下易 产生滑移影响抗侵彻性能，而黏合力增加能使纤 维分层破坏过程中吸收能量更多，在逐层破坏的 同时将弹丸的层间破坏通过界面脱黏吸能，使其 弹速下降更明显. 但也有研究表明[21] ，过强黏合力 会阻碍纤维受外力作用时的拉伸变形导致吸能减 少，因此，适当降低界面黏结度有利于提高冲击韧 性[22] . 当黏合力弱时，裂纹端部出现脱黏，当黏合 力强时，纤维冲断和纤维端部应力松弛吸收能量， 适中的黏合力能使靶板吸收更多能量. 表 4 黏合力参数[21] Table 4   Parameters of the cohesive layers[21] Mode Normalised elastic modulus/ (GPa·mm−1) Inter-laminar strength /MPa Inter-laminar fracture toughness/ (kJ·m−2) Mode I 1373.3 493.3 493.3 Mode II 62.3 92.3 92.3 Mode III 0.28 0.79 0.79 (a) Y Z X (b) Y Z X (c) Y Z X Damage coefficient/10−1 9.00 8.25 7.50 6.75 6.00 5.25 4.50 3.75 3.00 2.25 1.50 0.75 0 图 3    不同黏合力下基体所受拉伸损伤面积. （a）黏合力下调 20%；（b）标准黏合力；（c）黏合力上调 20% Fig.3    Tensile damage to the matrix under different adhesion forces: (a) 20% decrease in adhesion; (b) standard adhesion; (c) 20% increase in adhesion 900 800 700 600 500 400 Velocity/(m·s−1 ) 0 50 100 150 200 250 Time/μs Adhesive strength reduced by 20% Adhesive strength unchanged Adhesive strength increased by 20% 图 4    不同黏合力下弹速随时间变化曲线 Fig.4    Projectile velocity with different adhesive strengths 2.3    碳纤维种类对复合防弹板抗侵彻性能的影响 本节对 T700SC、M40JB 和 M60JB 三种碳纤维 抗冲击性能进行比较，不同种类碳纤维性能如 表 5 所示. T700SC 纤维拉伸强度和断裂伸长率最 高，M60JB 纤维拉伸模量最高，M40JB 纤维各项数 据适中. 图 5 为不同碳纤维种类下弹丸动能随时 间变化曲线，M40JB 吸能最多，M60JB 吸能最少， T700SC 吸能介于二者之间，使用 M40JB 的装甲板 的吸能约比使用 M60JB 和 T700SC 分别高 7.09% 和 4.56%. 表 5 不同种类碳纤维性能参数 Table 5   Performance parameters of carbon fiber Designation Tensile Strength/ MPa Tensile Modulus/ GPa Density / (g·cm−3) Elongation/ % T700SC 4900 230 1.8 2.1 M40JB 4400 377 1.75 1.2 M60JB 3820 588 1.93 0.7 由模拟结果可知，拉伸模量和拉伸强度都会 影响碳纤维的抗侵彻性能，高强高模、断裂伸长率 高的碳纤维防弹性能更好. 这是因为弹着点附近 · 1350 · 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期