秦溶蔓等：复合结构碳纤维防弹板的防弹性能仿真 1347 fiber performance,laminated layer structures,and resistance to penetration.Combined with the von Mises stress and matrix damage nephograms,the stress and damage forms of the composite bulletproof plate were discussed.Finally,the accuracy of the model was verified through ballistic impact experiments.The experimental results showed that the bulletproof plate composed of 13 mm SiC ceramic,5 mm carbon fiber composite,and 17 mm UHMWPE composite effectively prevented the penetration of projectile and exhibited evident effects on the absorption of the kinetic energy of the projectile and the attenuation of projectile velocity. KEY WORDS carbon fiber;ceramic;composite bulletproof board;finite element analysis software ABAQUS;impact simulation; bullet penetration resistance 陶瓷复合防弹装甲由硬质陶瓷与金属背板或 板抗侵彻性能的影响研究较少，同时增强纤维与树 纤维复合材料背板叠层，用于防御穿甲弹等高速 脂基体间界面特性以及界面失效行为也是影响弹丸 弹丸侵彻的轻质防护装甲，目前陶瓷复合防弹装 能量吸收效果的重要因素，纤维与树脂基体界面脱 甲一直是军用防护领域的研究热点-)陶瓷防弹 黏行为也将显著影响复合材料对弹丸的能量吸收. 装甲体系常用氧化铝(Al,O3)、碳化硼(B,C)、碳 针对这一问题，本文采用系列化标准黏结力参数调 化硅(SiC)和氨化硅(SiN4)为硬质陶瓷材料以抵 整界面黏合力，使用54式12.7mm穿甲弹作为冲击 抗弹丸冲击刀，以高性能纤维尤其是碳纤维、超 体，在弹丸高速冲击瞬态破坏状态下，通过防弹复合 高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)纤维等组合设计 材料板的层间黏结行为变化和损伤参数，模拟防弹 用以配合提高陶瓷层的抗变形能力，尤其碳纤维 板的界面分层能量吸收过程，并通过弹道冲击实验 作为一种高比强度、高比模量的优质纤维，对于保 验证了模型的准确可靠性.此项工作可为陶瓷一纤 证陶瓷防弹板防护稳定性具有重要作用⑧陶瓷 维复合防弹装甲板设计和优化提供参考 复合防弹装甲在抵抗弹丸侵彻瞬时的能量吸收过 1模拟仿真实验及方法 程和吸收机制较为复杂，对于不同实验条件的弹 丸侵彻过程仿真，一直是防弹装甲的研究重点0-山 11模型网格划分 Schwab等研究了冲击速度对复合材料层合板 本文建立的防弹复合材料板材模型，包括陶 残余速度、层合板内部的能量吸收、损伤模式和 瓷(SiC)硬质防弹层、碳纤维增强环氧复合材料 损伤尺寸的影响.Liu等]通过ABAQUS有限元 (CFRP)刚性层和UHMWPE复合材料韧性背板层 分析软件中的Explicit分析模块系统研究了钛合 三部分构成，靶板的长宽均为600mm,厚度为35mm, 金UHMWPE背层复合陶瓷装甲对弹丸的作用机 其中陶瓷层厚度为10mm,CFRP层厚度为5mm, 理.Tepeduzu与Karakuzu则使用仿真分析软件 UHMWPE复合层厚度为25mm,其装配后截面如 ANSYS探讨了不同陶瓷厚度及不同背板材料的 图1(a)所示.本文采用渐进式网格划分，网格密度 陶瓷复合装甲的冲击特性. 由弹丸的弹着点为中心逐渐向外减少，同时采用 有关陶瓷复合防弹装甲板的研究主要集中在失 1.5mm×1.5mm×1mm的细化网格处理侵彻直接接 效破坏机制和结构组合设计方面，有关复合材料层 触区域的弹丸与靶板的直接接触部分，从而有效 间黏合性能、纤维类型参数以及装甲组合结构对靶 保证模型计算效率和计算精度 (a) (b) (c) Ceramic layer Fibrous layer Projectile 图1复合材料防弹板仿真模型示意图.(a)装配后截面图：(b)网格划分：(c)接触点放大图 Fig.1 Schematic diagram of simulation model of composite bulletproof plate:(a)assembly sectional view,(b)meshed geometry;(c)exploded view around the point of impactfiber  performance,  laminated  layer  structures,  and  resistance  to  penetration.  Combined  with  the  von  Mises  stress  and  matrix  damage nephograms, the stress and damage forms of the composite bulletproof plate were discussed. Finally, the accuracy of the model was verified  through  ballistic  impact  experiments.  The  experimental  results  showed  that  the  bulletproof  plate  composed  of  13  mm  SiC ceramic,  5  mm  carbon  fiber  composite,  and  17  mm  UHMWPE  composite  effectively  prevented  the  penetration  of  projectile  and exhibited evident effects on the absorption of the kinetic energy of the projectile and the attenuation of projectile velocity. KEY  WORDS    carbon  fiber； ceramic； composite  bulletproof  board； finite  element  analysis  software  ABAQUS； impact  simulation； bullet penetration resistance 陶瓷复合防弹装甲由硬质陶瓷与金属背板或 纤维复合材料背板叠层，用于防御穿甲弹等高速 弹丸侵彻的轻质防护装甲，目前陶瓷复合防弹装 甲一直是军用防护领域的研究热点[1−3] . 陶瓷防弹 装甲体系常用氧化铝（Al2O3）、碳化硼（B4C）、碳 化硅（SiC）和氮化硅（Si3N4）为硬质陶瓷材料以抵 抗弹丸冲击[4−7] ，以高性能纤维尤其是碳纤维、超 高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）纤维等组合设计 用以配合提高陶瓷层的抗变形能力，尤其碳纤维 作为一种高比强度、高比模量的优质纤维，对于保 证陶瓷防弹板防护稳定性具有重要作用[8−9] . 陶瓷 复合防弹装甲在抵抗弹丸侵彻瞬时的能量吸收过 程和吸收机制较为复杂，对于不同实验条件的弹 丸侵彻过程仿真，一直是防弹装甲的研究重点[10−11] . Schwab 等[12] 研究了冲击速度对复合材料层合板 残余速度、层合板内部的能量吸收、损伤模式和 损伤尺寸的影响. Liu 等[13] 通过 ABAQUS 有限元 分析软件中的 Explicit 分析模块系统研究了钛合 金/UHMWPE 背层复合陶瓷装甲对弹丸的作用机 理. Tepeduzu 与 Karakuzu[14] 则使用仿真分析软件 ANSYS 探讨了不同陶瓷厚度及不同背板材料的 陶瓷复合装甲的冲击特性. 有关陶瓷复合防弹装甲板的研究主要集中在失 效破坏机制和结构组合设计方面，有关复合材料层 间黏合性能、纤维类型参数以及装甲组合结构对靶 板抗侵彻性能的影响研究较少，同时增强纤维与树 脂基体间界面特性以及界面失效行为也是影响弹丸 能量吸收效果的重要因素，纤维与树脂基体界面脱 黏行为也将显著影响复合材料对弹丸的能量吸收. 针对这一问题，本文采用系列化标准黏结力参数调 整界面黏合力，使用 54 式 12.7 mm 穿甲弹作为冲击 体，在弹丸高速冲击瞬态破坏状态下，通过防弹复合 材料板的层间黏结行为变化和损伤参数，模拟防弹 板的界面分层能量吸收过程，并通过弹道冲击实验 验证了模型的准确可靠性. 此项工作可为陶瓷−纤 维复合防弹装甲板设计和优化提供参考. 1    模拟仿真实验及方法 1.1    模型网格划分 本文建立的防弹复合材料板材模型，包括陶 瓷（SiC）硬质防弹层、碳纤维增强环氧复合材料 （CFRP）刚性层和 UHMWPE 复合材料韧性背板层 三部分构成，靶板的长宽均为 600 mm，厚度为 35 mm， 其中陶瓷层厚度为 10 mm，CFRP 层厚度为 5 mm， UHMWPE 复合层厚度为 25 mm，其装配后截面如 图 1（a）所示. 本文采用渐进式网格划分，网格密度 由弹丸的弹着点为中心逐渐向外减少，同时采用 1.5 mm×1.5 mm×1 mm 的细化网格处理侵彻直接接 触区域的弹丸与靶板的直接接触部分，从而有效 保证模型计算效率和计算精度. (a) (b) (c) Fibrous layer Ceramic layer Projectile 图 1    复合材料防弹板仿真模型示意图. （a）装配后截面图；（b）网格划分；（c）接触点放大图 Fig.1    Schematic diagram of simulation model of composite bulletproof plate: (a) assembly sectional view; (b) meshed geometry; (c) exploded view around the point of impact 秦溶蔓等： 复合结构碳纤维防弹板的防弹性能仿真 · 1347 ·