超高分子量聚乙烯平纹织物的防弹性能的研究与数值模拟

摘要

本文以防护领域广泛使用的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)平纹织物为研究对象，采用试验和数值模拟相结合的方法，研究了在弹道冲击条件下，织物的动态响应过程、破坏机理和影响防弹性能的因素，并计算了研究人员最为关注的弹道极限速度V50，模拟中的现象和V50计算结果均与试验吻合较好。
　　本文首先建立了织物的三维细观几何模型。通过试验观察了平纹织物的几何特征，对平纹织物的关键结构作出简化假设，通过测量任意平纹织物的参数:纱线的中心厚度、宽度和纱线间距即可建立平纹织物的几何模型。以此方法为基础，建立了平纹织物增强树脂基复合材料的细观几何模型、机织正交三向织物及复合材料的细观几何模型，可用于数值模拟。创建半O-grid拓扑结构将具有较复杂几何形状的铅芯和背甲模型分成合理的块，弹丸和织物均使用8节点六面体单元进行离散。
　　根据建立的平纹织物的细观模型，利用LS-DYNA软件模拟了钢质弹丸冲击的条件下，单层芳纶织物的响应过程。织物的变形过程和V50与已有试验对比，验证了模拟的可信性。接下来使用数值模拟的方法研究了UHMWPE织物中纱线摩擦系数、力学性能对其吸收弹丸动能的影响。
　　在完成了单层织物的有限元模拟后，进行了64式手枪弹冲击12层UHMWPE织物的有限元模拟并通过试验进行了验证。模型参照相应织物的几何尺寸建立，织物的纱线选用正交各向异性材料，材料属性和失效条件均根据纱线的拉伸试验确定。模拟中计算了叠层织物的V50，与试验值相比，相差+15.66％。模拟再现了试验中64式手枪弹侵彻叠层织物的过程，弹丸与纱线的相互作用、纱线间的相互作用、局部纱线的断裂、滑移和抽拔均得到了细致的展现。
　　最后，针对56式钢芯弹，模拟其以冲击速度Vs=720m/s侵彻防弹钢板加叠层织物的复合弹靶的过程，并分析了这两种材料在防弹过程中的作用。从弹丸的速度时间曲线看，弹丸侵彻钢板的阶段是弹丸速度下降的主要阶段，钢板除了吸收弹丸大部分的动能，另外一个作用是使弹丸镦粗，这一点对于后面的织物非常重要，能使织物更有效的拦截弹丸的侵彻。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 综述

1．2．1 解析法

1．2．2 数值模拟法

1．3 本文的研究内容

第二章 机织物的三维细观几何模型的建立

2．1 平纹织物的几何特征和三维细观几何模型的建立

2．1．1 平纹织物的几何特征

2．1．2 平纹织物的三维细观几何模型

2．1．3 使用混合单元分析法(Hybrid element analysis)建立平纹织物

2．2 机织正交三向织物的三维细观几何模型的建立

2．3 本章小结

第三章 有限元网格划分

3．1 有限元网格划分的基本原则

3．2 有限元网格划分方法概述

3．2．1 映射法

3．2．2 节点连元法

3．2．3 基于栅格法

3．2．4 拓扑分解法

3．3 ANSYS ICEM CFD简介

3．3．1 网格类型

3．4 O-Block及其变型

3．4．1 圆弧几何遇到的问题

3．4．2 O-Block及其变形

3．5 对弹丸进行网格划分

3．5．1 铅芯模型

3．5．2 铜背甲模型

3．6 本章小结

第四章 弹丸冲击织物过程的数值模拟

4．1 冲击力学有限元数值方法

4．1．1 控制方程和有限元离散

4．1．2 方程求解

4．1．3 人工体积粘性

4．1．4 沙漏模态

4．1．5 接触算法

4．2 织物的基本力学方程

4．2．1 各向异性体弹性力学基本方程

4．2．2 织物的正交各向异性本构关系

4．3 模拟计算织物的弹道极限速度

4．3．1 有限元网格和边界条件

4．3．2 模型的材料参数和失效模型

4．3．3 数值模拟的结果和分析

4．4 模拟研究摩擦力和力学性能对UHMWPE织物防弹性能的影响

4．4．1 有限元网格和边界条件

4．4．2 模型材料参数和失效模型

4．4．3 数值模拟的结果和分析

4．5 本章总结

第五章 多层UHMWPE织物的防弹测试和有限元模拟

5．1 有限元模拟手枪弹侵彻多层UHMWPE织物和试验验证

5．1．1 纤维拉伸性试验

5．1．2 弹道极限速度V50的测试装置及测试原理

5．1．3 有限元模型

5．1．4 织物的V50值

5．1．5 织物表观破坏形态和防弹机理的研究

5．1．6 弹丸速度的时间历程曲线

5．1．7 弹丸冲击过程中织物的背凸和应力分布

5．1．8 弹丸冲击过程中能量的转换

5．2 7．62mm式钢芯弹侵彻防弹钢板-叠层织物的有限元模拟

5．2．1 有限元模型

5．2．2 弹丸侵彻靶板的过程

5．3 本章总结

第六章 总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 今后工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢