PP/HDPE蜂窝防护结构抗侵彻性能研究

王运 陈首 陈自鹏

摘      要： 为研究聚丙烯（PP）和高密度聚乙烯（HDPE）蜂窝防护结构抗侵彻性能，对比了两种材料拉伸和结构侵彻的试验结果，并建立有限元模型，进行了不同工况下的枪弹侵彻数值模拟，并分析了试验结果、模拟中结构的破坏形式和枪弹的侵彻深度。结果表明：1 000 m·s-1的枪弹对蜂窝防护结构的侵彻深度在30 cm左右，仅达到该结构设计厚度的一半，显示了很好的抗侵彻性能;另外，相较于聚丙烯蜂窝防护结构，高密度聚乙烯蜂窝防护结构在被枪弹侵彻后破坏更小，结构完整性保持更好，对抗枪弹二次打击的能力更强，且有较好的耐久性;同时，高密度聚乙烯蜂窝防护结构对枪弹也有一定的偏航作用，对保护结构背后的人员有着一定积极作用。

关  键  词：聚丙烯;高密度聚乙烯;蜂窝防护结构;抗侵彻

中图分类号：TQ325.1       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）10-2106-06

Abstract： In order to study the anti-penetration performance of polypropylene （PP） and high-density polyethylene （HDPE） honeycomb protection structures， the test results of tensile and structural penetration of the two materials were compared， and the finite element model was established. And then the test results， the destruction forms of the structure and the penetration depth of the bullet in the simulation were analyzed. The results showed that the penetration depth of 1 000 m·s-1 bullet in the honeycomb protection structure was about 30 cm， which was only half of the designed thickness of the structure. In addition， compared with the polypropylene honeycomb protection structure， the high-density polyethylene honeycomb structure had less damage after being penetrated by bullets， better structural integrity， stronger resistance to the second strike of bullets， and better durability. At the same time， the high-density polyethylene honeycomb protection structure also had a certain yaw effect on the bullet， and had a certain positive effect on the personnel behind the protection structure.

Key words： High density polyethylene; Polypropylene; Honeycomb protection structure; Penetration resistance

构筑防护结构是保存有生力量，掩护武器装备，抵御敌方火力打击的重要措施。即便是在现代化作战方式发生极大改变、新型作战装备大量涌现的今天，防护结构的使用依旧有着非常重要的作用。近年来，国内外学者对多种防护结构进行了设计研究。美军普遍使用一种叫HESCO的网笼堡垒（图1），其采用钢丝网笼和内衬土工布为预制构件构筑的堡垒，可折叠存储，运输体积小，结构简单，使用构筑快，因此受到各国军队的重视。陶西贵[1]等设计了一种能自卸式展开设置的多用途防护装置（图2），实现了防护装置与自卸装置的车载机动运输和装卸一体化，有效提高了构筑效率与防护抗力的综合效益。

然而，对于极端恶劣条件下构筑防御工事，笨重的构件给运输、搬运、吊装和安装等带来了极大不便，特别是自然条件艰苦的偏远地区，这严重制约了部队机动设防的速度和效率。为了使构筑防御工事更加便捷高效，聚合物的使用成为了设计防护结构的一种选择。聚合物主要分为橡胶、塑料和纤维，而橡胶在力的作用下变形过大不适用于防护，纤维不易形变不适用于折叠运输，塑料的性质处于两者其间，更适合作为防护结构构件的材料。偏向橡胶性质的软塑料，特别是聚丙烯和高密度聚乙烯材料，由于其耐酸碱、高强度、高耐磨性和良好的绝缘性，被广泛地应用于各行各业。

在理论研究中，国内外学者对这两种材料进行了大量研究，包括聚丙烯的拉伸特性[2]、高密度聚乙烯的拉伸变形研究[3]以及温湿度影响的研究[4]等。同时，为了提升性能，還研究了钢-聚丙烯混杂纤维混凝土等[5]，探索了高密度聚乙烯与纳米MgO、麻纤维等材料的结合[6-10]。KWON[11]等根据单轴拉伸拟合试验结果分段描述了高密度聚乙烯的本构关系，马塞尔[12]等利用Sherwood-Forst本构模型研究了高密度聚乙烯的单轴拉伸力学性能，很好地描述了其力学特性。另外，国内外学者还对高密度聚乙烯的损伤性能、冲击后的断裂行为进行了研究[13-15]。

在应用研究中，曹兰付[16]等试验了一种高密度聚乙烯塑料装配式野战防爆墙，结果表明该结构满足5米外防护155 mm以下炮弹爆炸的作用。罗伟铭[17]对聚丙烯蜂窝防护结构（图3）进行了枪弹侵彻数值模拟研究，结果表明聚丙烯蜂窝防护结构对侵彻子弹有偏航作用，且该结构对土体施加的侧向约束作用使得结构整体的竖向承载能力大大增加。

石少卿等提出了一种质量轻、携带便捷、构筑快捷的高密度聚乙烯蜂窝防护结构（图4），该结构每个单元长0.8 m，宽0.6 m，高0.5 m，可重叠设置多层。陈首[18]等对该结构中高密度聚乙烯膜厚度和子弹入射速度设置了9种工况进行数值模拟对比分析，结果表明增加高密度聚乙烯膜厚度能够在一定程度上增强结构的抗侵彻性能，其中4 mm膜厚比较经济实用，以及该结构对入射速度低于1 000 m·s-1的枪弹抗侵彻效果最好。

为了进一步研究该蜂窝结构抗侵彻性能，笔者首先对试验现象进行对比分析，然后对聚丙烯和高密度聚乙烯蜂窝防护结构进行了枪弹侵彻数值模拟分析。

1  试验现象分析

1.1  材料拉伸试验现象分析

为了得到两种材料准确的力学性能，我们对聚丙烯和高密度聚乙烯两种材料进行了片材拉伸试验。分析试验结果可发现，在对聚丙烯片材进行拉伸时，随着拉伸载荷的不断增加，片材的应力-应变曲线呈线性关系，在快要达到其抗拉强度时，拉伸方向上出现微小的裂缝，随之整个片材立即发生劈裂现象，断裂为线状塑料丝（图5）。

对高密度聚乙烯片材进行拉伸时，开始应   力-应变曲线也呈线性关系，但之后出现了较为明显的屈服，达到最大拉伸强度后，应力-应变曲线开始明显下降，其破坏形式不同于聚丙烯片材的撕裂状，而是另外3种破坏形式（图6）。

可见，聚丙烯片材表现出明显的脆性，而高密度聚乙烯则表现出明显的韧性。另外，经过长期的野外堆载，聚丙烯片材容易老化脱落，而高密度聚乙烯片材没有出现明显的老化和脱落。

1.2  枪弹试验现象分析

在枪弹试验中，两种结构也表现出了明显的差别。高密度聚乙烯蜂窝防护结构被枪弹侵彻后（图7），弹孔主要呈与枪弹半径差不多的向内凹陷的圆孔，没有明显的材料撕裂，而聚丙烯蜂窝防护结构被枪弹侵彻后（图8），弹孔呈长条形的撕裂状，材料发生断裂，并且破坏面积远远大于前者，使得填充土体外漏，形成较大空腔。

2  数值模拟分析

为了对更多工况下的抗侵彻性能进行对比分析，避免大量的试验支出，根据已有的材料和结构数据，进行了数值模拟。

2.1  模型建立

弹头模型采用圆形弹头，入射速度设定为    1 000 m·s-1，膜厚度设定为0.004 m，每个蜂窝结构长度为0.8 m，宽度为0.6 m，高度为0.5 m，枪弹材料选用*MAT_PLASITY_KINEMATIC，高密度聚乙烯膜材料选用*MAT_PLASTICITY_POLYMER，聚丙烯膜材料选用*MAT_COMPOSITE_DAMAGE，土体材料选用*MAT_SOIL_AND_FOAM_FAILURE。

2.2  工况设置

如图8所示，设定3个枪弹入射角度，分别为0°、30°、60°方向入射，设置高密度聚乙烯膜和聚丙烯膜两种膜材料，共6种工况，如表1所示。

2.3  模拟现象分析

2.3.1  枪弹0°入射的现象分析

1）工况1：图9所示为枪弹0°入射聚丙烯蜂窝防护结构的模拟结果。随着枪弹的入射，聚丙烯膜开始破坏，逐渐撕裂形成入射方向左右宽、上下窄的口子，弹孔中部片状材料外翻。土体形成与膜破坏形状相似的空腔，塌落较明显。枪弹在结构内部没有明显的偏航。

2）工况2：图10所示为枪弹0°入射高密度聚乙烯蜂窝防护结构的模拟结果。枪弹侵彻初期，弹孔周围高密度聚乙烯膜出现同枪弹直径略大的向内凹陷的孔洞。随着枪弹侵彻的深入，土体开始破坏，孔洞略有增大，土体内出现类似于圆柱体的空腔结构，其大小小于工况1，轮廓外形更加聚拢，内部土体塌落程度较小。枪弹在空腔内旋转，并略向左侧侵彻，同时还向z正方向有一定位移。

2.3.2  枪弹30°入射的现象分析

1）工况3：图11所示为枪弹30°入射聚丙烯蜂窝防护结构的模拟结果。相比0°入射侵彻聚丙烯蜂窝防护结构，破坏主要向右侧发展，但膜依旧撕裂出左右宽、上下窄的口子，略偏向右侧。枪弹向结构纵深方向的侵彻深度减小，但土体塌落程度较大。同时，枪弹略向z正方向偏移。

2）工况4：图12所示为枪弹30°入射高密度聚乙烯蜂窝防护结构的模拟结果。与工况2类似，但空腔偏向右侧，纵深方向的侵彻深度减小，孔洞处高密度聚乙烯膜翻起，孔洞较工况2略大。与工况3相比，土体空腔更小，弹头向右侧侵彻深度也较小，z方向位移相不明显。

2.3.3  枪弹60°入射的现象分析

1）工况5：图13所示为枪弹60°入射聚丙烯蜂窝防护结构的模拟结果。枪弹入射后，由于入射方向两侧受力的不均衡，弹头向右侧转动，很快向外偏航出土体。相较于0°角入射和30°角入射，枪弹侵彻后所形成的空腔主要向右侧延伸，仍然有片状材料断裂外翻的情況。

2）工况6：图14所示为枪弹60°入射高密度聚乙烯蜂窝防护结构的模拟结果。同工况2、4效果相比，侵彻初期，枪弹将高密度聚乙烯膜撕裂开口子后，侵彻入土体，形成了相对于这几个工况较大的孔洞，但土体空腔较小，并向右侧发展。而后，在一侧土体的作用下，弹头同工况5一样向右侧转动，枪弹向外发生偏航，以至完全脱离结构，并带有旋转。期间，高密度聚乙烯膜上出现长条形的拉痕。

2.4  模拟数据分析

2.4.1  枪弹0°入射的现象分析

图15所示为工况1、2在x、y和z方向的侵彻深度对比。对比x方向侵彻深度，入射聚丙烯蜂窝防护结构时，枪弹向x负方向的最大侵彻深度约为0.007 58 m，而入射高密度聚乙烯蜂窝防护结构时，枪弹先向x负方向小距离偏航， 0.000 8 s后突然加速向x负方向侵彻至-0.040 7 m，其侵彻深度的绝对值比聚丙烯蜂窝防护结构时的侵彻深度绝对值大0.033 12 m。这说明枪弹入射高密度聚乙烯防护结构更容易被干扰入射形态而偏航。更大的偏航主要是因为高密度聚乙烯膜比聚丙烯膜韧性更大，在枪弹入射时对其作用时间更长，聚丙烯膜的脆性断裂减短了对枪弹的作用时间。

对比y方向侵彻深度，枪弹在高密度聚乙烯蜂窝防护结构中侵彻深度随时间变化的斜率更小，侵彻速率更慢。枪弹对高密度聚乙烯蜂窝防护结构在y方向的侵彻深度为0.304 m，而对聚丙烯蜂窝防护结构在y方向的侵彻深度为0.319 m，侵彻深度略微降低。

在z方向的最大深度分别是0.010 9 m和  0.011 76 m，差距不大。但从图表中可以发现，在高密度聚乙烯蜂窝防护结构中，枪弹更早发生z方向偏航，也说明了高密度聚乙烯蜂窝防护结构更容易使得枪弹发生偏航。

2.4.2  枪弹30°入射的现象分析

图16所示为工况3、4在x、y和z方向的侵彻深度对比。对比y方向侵彻深度，枪弹对高密度聚乙烯防护结构的侵彻深度为0.275 5 m，小于对聚丙烯蜂窝防护结构的侵彻深度0.287 4 m，侵彻深度略有降低，但在x方向上，枪弹对高密度聚乙烯蜂窝防护结构的侵彻深度最大为0.227 6 m，大于对聚丙烯蜂窝防护结构0.174 88 m的侵彻深度，侵彻深度增大了30%，而且侵彻速率大于对聚丙烯蜂窝防护结构的侵彻速率。这说明在枪弹30°入射的工况下高密度聚乙烯对枪弹的偏航作用更加明显，使得枪弹增加了x方向的侵彻，减少了y方向的侵彻，对结构后方的人员保护起到了积极作用。

在z方向上，高密度聚乙烯蜂窝防护结构中枪弹只是略微向正方向侵彻了0.008 25 m，而在聚丙烯蜂窝防护结构中为0.002 93 m，也说明高密度聚乙烯蜂窝防护结构对枪弹偏航作用更好。

2.4.3  枪弹60°入射的现象分析

图17所示为工况5、6在x、y和z方向的侵彻深度对比。枪弹在结构中经过短暂侵彻后，在  0.000 05 s左右偏航出防护结构。对高密度聚乙烯蜂窝防护结构在x、y和z方向上的最大侵彻深度分别为0.049 8、0.022 4、-0.000 088 m，对聚丙烯蜂窝防护结构在x、y和z方向上的最大侵彻深度分别为0.049 7、0.022 8、0.000 0476 m。侵彻深度不大且相差不明显，z方向的侵彻深度可以忽略不计。其主要原因是由于入射角过大，枪弹在侵彻入结构后，很快在左右受力不均衡的条件下偏航出结构体。

表2为枪弹在各工况中x、y和z方向最大侵彻深度的对比。从表中可以发现，在y方向的最大侵彻深度在30 cm左右，只有结构设计厚度的一半左右，说明无论是聚丙烯还是高密度聚乙烯蜂窝防护结构对轻武器的抗侵彻性都较好。而在高密度聚乙烯蜂窝防护结构中，枪弹在y方向的侵彻都更小，而x方向侵彻深度更大，对保护结构背面人员有积极作用。z方向的侵彻深度在两种材料中差距不大。同时，枪弹入射角度越大，在y方向侵彻就越小，在x方向侵彻就越大。

3  结 论

本文通过对试验结果和不同工况下的数值模拟对比分析，得到以下结论：

1）所研制的高密度聚乙烯蜂窝防护结构可将枪弹在纵深方向的侵彻深度控制在30 cm左右，不到结构厚度的一半，多层的蜂窝防护结构可以很好地对轻武器进行防护。

2）相比聚丙烯材料制作的蜂窝防护结构，高密度聚乙烯蜂窝防护结构在枪弹侵彻时，弹孔更小，材料不易断裂，内部填充物不易飞溅、塌落和外漏，结构完整性保持更好，具备抵抗枪弹多次打击的能力，同时具有较好的耐久性。

参考文献：

[1] 陶西贵，周布奎，黄自力，等. 自卸式野战防护装置设计与分析[J]. 防护工程，2014（2）：50-54.

[2]宋立彬，郑超，王征，等. 土工格栅用聚丙烯原料的高温拉伸特性[J]. 理化检验-物理分册，2015（10）：688-692.

[3] 唐毓婧，姜志勇，門永锋. 高密度聚乙烯的拉伸塑性形变与空洞化行为[J]. 石油化工， 2016，45（3）：346-351.

[4] 杨姮，吕亚栋，赵锦灿，等. 高密度聚乙烯在中国湿热和寒冷气候中的自然老化行为[J]. 高分子材料科学与工程，2016，32（5）：69-74.

[5] 徐礼华，梅国栋，黄乐，等. 钢-聚丙烯混杂纤维混凝土轴心受拉应力-应变关系研究[J]. 土木工程学报，2014（7）：35-45.

[6] 杨晓明，王铎，田耘. 纳米MgO/高密度聚乙烯复合材料的性能[J]. 复合材料学报，2016，33（2）：234-239.

[7] 童伟，薛平，贾明印，等. 麻纤维增强聚乙烯复合材料的制备及性能研究[J]. 当代化工，2011（12）：12-15.

[8] 张庆法，高巧春，林晓娜，等. 木质素磺酸钙/高密度聚乙烯复合材料的力学性能[J]. 复合材料学报，2019，36（3）：630-637.

[9] 阳雄南，张效林，聂孙建，等.不同生物酶改性处理对麦秸秆纤    维/高密度聚乙烯复合材料性能的影响[J].复合材料学报.   https：// doi.org /10.13801/j.cnki.fhclxb.20190902.002.

[10]廖华勇，陶国良. 高密度聚乙烯共混物的抗冲击强度与熔体流动速率[J]. 高分子材料科学与工程，2013，29（7）：72-75.

[11] KWON H J ， JAR P Y B . On the application of FEM to deformation of high-density polyethylene[J]. International Journal of Solids and Structures， 2008， 45（11-12）：3521-3543.

[12]马赛尔，许进升，童心，等. 高密度聚乙烯单轴拉伸力学性能及本构关系研究[J]. 中国塑料，2016，30（4）：88-92.

[13]DJEBLI A， BENDOUBA M， AID A， et al. Experimental analysis and damage modeling of high-density polyethylene under fatigue loading[J]. Acta Mechanica Solida Sinica， 2016， 29（2）：133-144.

[14] KHEDRI S ， ELYASI S . Kinetic analysis for thermal cracking of HDPE： A new isoconversional approach[J]. Polymer Degradation and Stability， 2016， 129：306-318.

[15] 马定洋，章林溪. 拉伸分子动力学方法研究聚乙烯单链的力学行为[J]. 高分子学报，2008（5）：448-453.

[16] 曹蘭付，赵骞，李阅迟，等. 高密度聚乙烯塑料装配式野战防爆墙试验研究[J]. 防护工程，2018，40（1）：30-33.

[17] 罗伟铭，石少卿，田镇华，等.基于FEM/SPH算法的弹丸侵彻土体数值模拟[J]. 后勤工程学院学报，2014（2）：13-17.

[18] 陈首，石少卿，陈自鹏. 高密度聚乙烯蜂窝防护结构的抗侵彻试验[J]. 工程塑料应用，2018，46（1）：74-78.