·1352 工程科学学报，第43卷，第10期 纤维以横向的剪切破坏为主；第二为背凸变形阶 CFRP层内能随时间的变化曲线.可以发现，随着 段，该阶段纤维主要发生拉伸变形破坏.根据不同 CFRP厚度增加，能量吸收量逐步上升.5mm厚 阶段的破坏形式特点，在迎弹面设置抗压强度和 CFRP层和7mm厚CFRP层内能分别较3mm厚 抗剪切强度高的无机陶瓷材料，而在背弹面设置 CFRP层增加了68.8%和109.2%，7mm厚CFRP层 抗拉强度高的有机纤维复合材料，可有效提高整 与5mm厚CFRP层相比吸能增加速率减小.CFRP 个复合材料靶板的抗弹丸侵彻特性，基于此机制， 层厚度与弹丸残余速度的变化关系如图9(b)所 本文在陶瓷层与UHMWPE层之间加人CFRP 示，也可知CFRP层由5mm增至7mm时残余速 以增强背板抗侵彻能力，本节探讨了CFRP厚度对 度下降趋势变缓，因此当CFRP板的层数达到一定 防弹板吸能效果的影响 值后通过增加CFRP层的厚度对防弹板抗侵彻性 图9(a)为弹丸侵彻防弹板过程中不同厚度 能提升有限 800 (a) 480 .(b) 600 460 440 400 420 200 一3 400 380 0 360 50 100 150 200 250 4 5 6 Time/us Thickness of CFRP/mm 图9不同CFRP层厚度条件下的()层合板内能以及(b)弹丸剩余速度随时间变化曲线 Fig.9 Variations of the(a)internal energy of laminate and(b)projectile residual velocity of CFRP plate with different thicknesses 2.6 UHMWPE层合板厚度对复合防弹板抗侵彻 800 Thickness=15 mm 性能的影响 Thickness=16 mm Thickness=17mm UHMWPE复合材料板在受到弹丸冲击时的 600 Thickness=20 mm 失效机理可以简单解释为：在冲击初始阶段应变 率非常高，材料破坏是由于纤维断裂.第二阶段， 弹丸动能降低，穿靶速度减慢，纤维复合板开始分 200 层，导致背凸出现.最后，弹丸穿透面板或停止 为减轻防弹板质量，以13mm厚SiC陶瓷层为防 弹面板、CFRP层厚度为5mm,研究UHMWPE复 0 50 100 150 200 250 合材料背板厚度对弹丸残余速度的影响（图10）， Time/μs 得出抗侵彻防弹板最低UHMWPE复合背板厚度 图10不同UHMWPE层合板厚度下弹速随时间变化曲线 当UHMWPE复合材料厚度为17mm时弹丸残余 Fig.10 Projectile velocity of UHMWPE laminate with different thicknesses 速度降为0，可抵御弹丸侵彻.20mm厚的UHMWPE 层合板弹丸冲击时残余速度减为0的时间约为 别对两种组合结构的复合防弹板(13mm厚陶 210s,而17mm厚的UHMWPE层合板弹丸冲击 瓷层/5mm厚CFRP板/16mm厚UHMWPE层合 时残余速度减为0的时间约为250us,用时时长增 背板和13mm厚陶瓷层/5mm厚CFRP板/17mm 加约40S,证明背板厚度增加可缩短防弹板受侵 厚UHMWPE层合背板)进行实际打靶测试，以 彻时间 验证仿真结果的准确性，其中复合防弹板的 UHMWPE纤维背板采用特力夫8 DUHMWPE纤维 3模拟仿真优化参数实验验证 增强热塑性树脂20MPa模压成型制备，CFRP板 根据本文模拟仿真研究的优化参数规律，以 采用T700碳纤维增强热固性树脂12MPa模压成 直径为12.7mm的穿甲燃烧弹作为侵彻条件，分 型制备，陶瓷片与CFRP板以及UHMWPE纤维背纤维以横向的剪切破坏为主；第二为背凸变形阶 段，该阶段纤维主要发生拉伸变形破坏. 根据不同 阶段的破坏形式特点，在迎弹面设置抗压强度和 抗剪切强度高的无机陶瓷材料，而在背弹面设置 抗拉强度高的有机纤维复合材料，可有效提高整 个复合材料靶板的抗弹丸侵彻特性，基于此机制， 本 文 在 陶 瓷 层 与 UHMWPE 层 之 间 加 入 CFRP 以增强背板抗侵彻能力，本节探讨了 CFRP 厚度对 防弹板吸能效果的影响. 图 9（ a）为弹丸侵彻防弹板过程中不同厚度 CFRP 层内能随时间的变化曲线. 可以发现，随着 CFRP 厚度增加，能量吸收量逐步上升. 5 mm 厚 CFRP 层和 7 mm 厚 CFRP 层内能分别较 3 mm 厚 CFRP 层增加了 68.8% 和 109.2%，7 mm 厚 CFRP 层 与 5 mm 厚 CFRP 层相比吸能增加速率减小. CFRP 层厚度与弹丸残余速度的变化关系如图 9（b）所 示，也可知 CFRP 层由 5 mm 增至 7 mm 时残余速 度下降趋势变缓，因此当 CFRP 板的层数达到一定 值后通过增加 CFRP 层的厚度对防弹板抗侵彻性 能提升有限. Thickness of CFRP/mm 0 50 100 150 200 250 0 200 400 600 800 3 4 5 6 7 (b) Internal enery/J Time/μs (a) 480 3 460 4 440 5 420 6 400 7 380 360 Ressidual velocity/(m·s−1 ) 图 9    不同 CFRP 层厚度条件下的（a）层合板内能以及（b）弹丸剩余速度随时间变化曲线 Fig.9    Variations of the (a) internal energy of laminate and (b) projectile residual velocity of CFRP plate with different thicknesses 2.6    UHMWPE 层合板厚度对复合防弹板抗侵彻 性能的影响 μs UHMWPE 复合材料板在受到弹丸冲击时的 失效机理可以简单解释为：在冲击初始阶段应变 率非常高，材料破坏是由于纤维断裂. 第二阶段， 弹丸动能降低，穿靶速度减慢，纤维复合板开始分 层，导致背凸出现. 最后，弹丸穿透面板或停止[19] . 为减轻防弹板质量，以 13 mm 厚 SiC 陶瓷层为防 弹面板、CFRP 层厚度为 5 mm，研究 UHMWPE 复 合材料背板厚度对弹丸残余速度的影响（图 10）， 得出抗侵彻防弹板最低 UHMWPE 复合背板厚度. 当 UHMWPE 复合材料厚度为 17 mm 时弹丸残余 速度降为 0，可抵御弹丸侵彻. 20 mm 厚的 UHMWPE 层合板弹丸冲击时残余速度减为 0 的时间约为 210 μs，而 17 mm 厚的 UHMWPE 层合板弹丸冲击 时残余速度减为 0 的时间约为 250 μs，用时时长增 加约 40 ，证明背板厚度增加可缩短防弹板受侵 彻时间. 3    模拟仿真优化参数实验验证 根据本文模拟仿真研究的优化参数规律，以 直径为 12.7 mm 的穿甲燃烧弹作为侵彻条件，分 别对两种组合结构的复合防弹板（ 13 mm 厚陶 瓷 层 /5 mm 厚 CFRP 板 /16 mm 厚 UHMWPE 层 合 背板和 13 mm 厚陶瓷层/5 mm 厚 CFRP 板/17 mm 厚 UHMWPE 层合背板）进行实际打靶测试，以 验证仿真结果的准确性 . 其中复合防弹板 的 UHMWPE 纤维背板采用特力夫 80UHMWPE 纤维 增强热塑性树脂 20 MPa 模压成型制备，CFRP 板 采用 T700 碳纤维增强热固性树脂 12 MPa 模压成 型制备，陶瓷片与 CFRP 板以及 UHMWPE 纤维背 800 0 600 50 400 100 200 150 0 200 250 Velocity/(m·s−1 ) Time/μs Thickness=15 mm Thickness=16 mm Thickness=17mm Thickness=20 mm 图 10    不同 UHMWPE 层合板厚度下弹速随时间变化曲线 Fig.10     Projectile  velocity  of  UHMWPE  laminate  with  different thicknesses · 1352 · 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期