数值模拟研究Kevlar纤维复合材料侵彻能量转化过程

山西中北大学机电工程学院　张明　原梅妮　向丰华　王振兴

数值模拟研究Kevlar纤维复合材料侵彻能量转化过程

山西中北大学机电工程学院张明原梅妮向丰华王振兴

采用AUTODYN有限元软件，数值模拟了10mm厚的Kevlar纤维复合材料在不同初速度破片冲击下的侵彻过程，获取了系统在弹道极限时的能量转换，并对不同初速度的破片在侵彻过程中的速度变化状况进行了分析。数值模拟结果对以后进一步研究具有较好的指导意义。

弹道极限；能量转换；Kevlar纤维复合靶板；有限元

Kevlar纤维复合材料具有优良的抗冲击性能、抗疲劳性能、动能吸收性及密度低等特点，并且没有“二次杀伤效应”［1］，因而被广泛应用于装甲防护、车辆防护、人体防护以及工程防护等重要领域［2］。Kevlar纤维复合材料在冲击载荷下的动态力学行为和抗侵彻性能引起了国内外学者的广泛关注。

采用有限元模拟了Kevlar纤维靶板在不同初速度下的抗侵彻性能，重点对能量转换和破片速度衰减两个角度进行了研究。

1侵彻模型

1.1几何模型

靶板为Kevlar纤维复合材料，尺寸为120mm×120mm× 10mm；碎片材料为35CrMnSi钢，采用破片模拟弹丸，重量10g。弹体垂直射入靶板中心位置。

1.2有限元计算模型

因结构形状和载荷的对称性，取1/2结构进行模拟计算。实际建模时靶板尺寸为120mm×60mm×10mm。采用8节点实体网格结构，模型共分为94800个单元，其中Kevlar纤维复合靶板划分为72000个单元，破片划分为22800个单元。在模拟过程中为了提高计算效率，在破片与靶板撞击附近区域采用密致的网格划分，其余部分采用稀疏的网格划分。除在对称面上施加对称约束外，在靶板的侧面施加边界约束，用以模拟靶板四周被固定情况。计算过程中，采用等效失效应变描述网格的扭曲和侵彻。弹靶结构模型如图1所示。

图1　弹靶结构模型

1.3材料模型

有限元计算中，Kevlar纤维复合靶板采用Puff状态模型描述材料状态变化，选用Von Mises强度模型进行强度分析，材料参数列于表1中；破片采用线性模型描述材料状态的变化，选用Von Mises模型进行强度分析，材料及参数列于表2。表中数据均采用cm-g-us-K。

表1　Kevlar纤维复合靶板的材料参数［3］

表2　破片的材料模型参数［3］

2模拟结果与分析

2.1侵彻过程演化

通过数值模拟，获得了破片对Kevlar纤维复合靶板的侵彻过程。图2是初速度vi分别为330m/s和360m/s时破片对Kevlar纤维复合靶板不同时刻的侵彻状态。其中破片初速度vi=330m/s时，破片未能完全贯穿纤维复合靶板，而破片初速度为vi=360m/s时，纤维复合靶板被完全贯穿。如图2-a（左侧），时间t=0μs时，破片动能最大，随着侵彻的进行，当时间t=78μs时破片的动能减小到零，这时候破片侵彻的深度达到最大值，随后破片将受到靶板势能的作用而被反弹，破片向相反方向运动。相反，如图2-b（右侧），破片速度大于弹道极限，随着破片对靶板的不断侵蚀，t=70us时靶板最终被贯穿。

图2　破片侵彻靶板过程

2.2系统侵彻中的能量转换

破片对厚为10mm的Kevlar纤维复合靶板的侵彻过程是一个能量衰减和转换过程，在破片初速度为弹道极限时，弹靶系统的能量转换如图3所示，在破片与靶板碰撞之前，靶板的内能、破片的内能为零，此时破片的动能即为弹靶系统的总能量；随着碰撞的进行，破片的动能除了一部分耗散以外，其他的都开始转化为破片的内能、靶板的内能以及破片剩下的动能；当破片贯穿靶板时刻，破片的动能为零，此时能量完全转化为破片的内能和靶板的内能。因为在侵彻过程中产生了由系统、环境等因素引起的耗能，最后系统的总能量小于系统初始能量。

图3　破片贯穿靶板的能量转换

3结论与建议

通过对破片垂直侵彻10mm厚Kevlar纤维复合靶板的数值模拟，再现了穿甲Kevlar纤维复合靶板在不同时刻的能量转换、侵彻与贯穿情况。这对以后进一步研究Kevlar纤维复合材料靶板的抗弹性能有一定的指导意义。

［1］虢忠仁，杜文泽，钟蔚华等.芳纶复合材料对球形弹丸的抗贯穿性能研究［J］.兵工学报，2010，（04）：458-463.

［2］周楠，王金相，谢君等.破片形状对复合靶抗侵彻性能影响的实验研究［J］.弹道学报，］2014，（02）：95-99.

［3］徐豫新，王树山，严文康等.纤维增强复合材料三明治板的破片穿甲实验［J］.复合材料学报，2012，（03）：72-78.