秦溶蔓等：复合结构碳纤维防弹板的防弹性能仿真 1351· 18000 至断裂的失效过程，此过程可吸收弹丸大量能量， 16000 。-M60JB -T700SC 是复合材料防弹板的主要吸能过程之一.在这一 ★-V40B 14000 过程中背板受力面积越大则参与拉伸失效的纤维 12000 越多23-2，对弹丸的耗能也更多.图8为两种铺层 10000 防弹板第22、23层纤维层的冯米塞斯(Von-Mises) 8000 应力云图，从图中可以看出，45铺层中防弹板受 6000 力面积更大，更多的纤维处于拉伸模式从而参与 4000 出 拉伸失效的纤维更多，靶板的抗侵彻性能也更佳 0 50 100150200250 (a) 6 Time/us 图5弹丸冲击使用不同碳纤维材料防弹板时弹丸动能随时间变化 曲线 Fig.5 Variation of the kinetic energy of bulletproof plates with different carbon fiber materials impacted by projectiles 的纤维拉长进而断裂的过程可吸收弹丸部分能 量，M40B不仅拉伸强度较高，模量也较高，而模 量较高的纤维背板不仅对陶瓷面板提供较强支 图6纤维铺层角度.(a)纤维[0/90°10°1901铺层：(b)纤维 撑，还可以快速传递冲击波，提高防弹效果；背板 [45-4545-45]铺层 材料力学性能越好，陶瓷与弹丸相互作用时间越 Fig.6 Ply angle of composite laminates:(a)[0/90090];(b)[45/ -4545/-451 长，力学性能好的纤维还可以通过自身大变形来 消耗弹丸部分动能以降低弹丸的残余速度 18000 -·-[0/90/0/90] 2.4铺层角度对复合防弹板抗侵彻性能的影响 16000 -[45/-45/45/-45] 图6比较了纤维铺层角度按照0°和90°交替铺 14000 层([0°/90°/0°/90])和纤维铺层角度按照45°和-45° 1200 交替铺层([45/-45145-45])两种纤维铺层方式对 号100 8000 防弹板抗侵彻性能的影响.图7为[0/90/0/90] 和[45-45/45-45]两种不同纤维铺层角度下弹 6000 4000 丸动能随时间的变化曲线，在两种情况下弹丸动 2000 能衰减量分别为12870.84J和12044.58J,相比 0 50 100 150 200 250 90铺层，45铺层对弹丸的耗能约高出6.86%，即 Time/μs 图7不同纤维铺层角度下弹丸动能随时间变化曲线 45铺层时靶板的抗侵彻性能更好.复合材料的拉 Fig.7 Variation of the kinetic energy of composite laminates with 伸失效是指复合材料弹着点附近的纤维被拉长直 different ply angles (a) (b) (c) (d) Stress/(10 MPa) 2.50 .00 .50 1.00 88 图8不同铺层角度纤维板所受Von-Mises应力图.(a)0°铺层：(b)90铺层：(c)-45铺层：(d)45铺层 Fig.8 Von-Mises stress of fiberboard with different ply angles:(a)ply.(b)9ply:(c)-45ply;(d)45 ply 2.5CFRP厚度对复合防弹板抗侵彻性能的影响 向存在不同类型的破坏形式，Johnson和Holmquist] 基于复合材料靶板的冲击波传播机制，对于 研究发现，复合材料靶板的侵彻破坏在弹丸入射 叠层复合材料结构的弹丸侵彻过程，在其厚度方 方向上分两个阶段：第一为剪切冲塞阶段，该阶段的纤维拉长进而断裂的过程可吸收弹丸部分能 量，M40JB 不仅拉伸强度较高，模量也较高，而模 量较高的纤维背板不仅对陶瓷面板提供较强支 撑，还可以快速传递冲击波，提高防弹效果；背板 材料力学性能越好，陶瓷与弹丸相互作用时间越 长，力学性能好的纤维还可以通过自身大变形来 消耗弹丸部分动能以降低弹丸的残余速度. 2.4    铺层角度对复合防弹板抗侵彻性能的影响 图 6 比较了纤维铺层角度按照 0°和 90°交替铺 层（[0°/90°/0°/90°]）和纤维铺层角度按照 45°和−45° 交替铺层（[45°/−45°/45°/−45°]）两种纤维铺层方式对 防弹板抗侵彻性能的影响. 图 7 为 [0°/90°/0°/90°] 和 [45°/−45°/45°/−45°] 两种不同纤维铺层角度下弹 丸动能随时间的变化曲线，在两种情况下弹丸动 能衰减量分别 为 12870.84 J 和 12044.58 J， 相 比 90°铺层，45°铺层对弹丸的耗能约高出 6.86%，即 45°铺层时靶板的抗侵彻性能更好. 复合材料的拉 伸失效是指复合材料弹着点附近的纤维被拉长直 至断裂的失效过程，此过程可吸收弹丸大量能量， 是复合材料防弹板的主要吸能过程之一. 在这一 过程中背板受力面积越大则参与拉伸失效的纤维 越多[23−26] ，对弹丸的耗能也更多. 图 8 为两种铺层 防弹板第 22、23 层纤维层的冯·米塞斯（Von-Mises） 应力云图，从图中可以看出，45°铺层中防弹板受 力面积更大，更多的纤维处于拉伸模式从而参与 拉伸失效的纤维更多，靶板的抗侵彻性能也更佳. (a) (b) 图  6     纤 维 铺 层 角 度 .  （ a） 纤 维 [0°/90°/0°/90°] 铺 层 ； （ b） 纤 维 [45°/−45°/45°/−45°] 铺层 Fig.6     Ply  angle  of  composite  laminates:  (a)  [0°/90°/0°/90°];  (b)  [45°/ −45°/45°/−45°] 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 50 100 150 200 250 Time/μs Kinetic energy/J [0/90/0/90] [45/−45/45/−45] 图 7    不同纤维铺层角度下弹丸动能随时间变化曲线 Fig.7     Variation  of  the  kinetic  energy  of  composite  laminates  with different ply angles (a) (b) (c) (d) Stress/(103 MPa) 2.50 2.00 1.50 1.00 0 0.70 0.50 0.40 0.30 0.20 0.15 0.10 0.05 图 8    不同铺层角度纤维板所受 Von-Mises 应力图. （a）0°铺层；（b）90°铺层；（c）−45°铺层；（d）45°铺层 Fig.8    Von-Mises stress of fiberboard with different ply angles: (a) 0° ply; (b) 90° ply; (c) −45° ply; (d) 45° ply 2.5    CFRP 厚度对复合防弹板抗侵彻性能的影响 基于复合材料靶板的冲击波传播机制，对于 叠层复合材料结构的弹丸侵彻过程，在其厚度方 向存在不同类型的破坏形式，Johnson 和 Holmquist [18] 研究发现，复合材料靶板的侵彻破坏在弹丸入射 方向上分两个阶段：第一为剪切冲塞阶段，该阶段 0 50 100 150 200 250 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 M60JB T700SC M40JB Time/μs Kinetic energy/J 图 5    弹丸冲击使用不同碳纤维材料防弹板时弹丸动能随时间变化 曲线 Fig.5    Variation of the kinetic energy of bulletproof plates with different carbon fiber materials impacted by projectiles 秦溶蔓等： 复合结构碳纤维防弹板的防弹性能仿真 · 1351 ·