纤维金属混杂层板抗侵彻性能的仿真分析

童谣 袁野 杨振寰 曲嘉

摘 要：【目的】根据舰船轻量化的设计要求，纤维增强复合材料存在着抗冲击性能差等问题，需对其抗冲击性能进行研究。【方法】建立有限元模型，对一种适于海洋环境的玄武岩/钢混杂层板的抗侵彻性能进行研究，并验证其有效性。再对各工况下混杂层板的弹道性能和失效行为进行对比分析。【结果】多数情况下3/2铺层靶板的防护性能最好，复杂的铺层结构能够优化混杂层板的失效形式，使背板附近的铺层更倾向于呈现拉伸断裂的破坏形式。【结论】该破坏形式有利于纤维增强复合材料发挥其性能优势，提升防护效果。

关键词：纤维金属混杂层板；铺层结构；侵彻；破坏形式；数值模拟

中图分类号：TB33     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）06-0091-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.018

Simulation Analysis of Anti-Penetration Performance of Fibre-metal Hybrid Laminates

TONG Yao1 YUAN Ye2 YANG Zhenhuan2 QU Jia2

（1 .China Academy of Space Power Technology， Xi'an 710025， China;

2. School of Aerospace and Architectural Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China）

Abstract： [Purposes] According to the lightweight design requirements of ships， fibre-reinforced composites have problems such as poor impact resistance， which need to be investigated. [Methods] In this paper， a basalt/steel hybrid laminate suitable for the sea is investigated for its anti-penetration performance. A finite element model is established and its validity is verified. Then the ballistic performance and failure behaviour of the hybrid laminates under various working conditions are studied comparatively. [Findings] The results show that the 3/2-layered target plate has the best protection performance in most cases， and the complex layup structure can optimize the failure form of the hybrid laminate， so that the layup near the backing plate is more inclined to show the damage form of tensile fracture. [Conclusions] This damage from is conducive to the fibre-reinforced composites to give play to their performance advantages and enhance the protective effect.

Keywords： fibre-metal hybrid laminates;lay-up structure; penetration;damage forms; numerical simulation.

0 引言

国防安全是经济健康发展和人民正常生活的保证［1］。其中，海洋安全在国防领域具有重要的意义，这就对舰船的性能提出了更高的要求［2-3］。为维护海洋安全，越来越多的新材料、新结构被应用于船舶的建造当中。在这些新型材料中，纤维增强复合材料因其优良的力学性能而广受关注［4-5］。纤维金属层板（fiber metal laminates，FMLs） 作为一种纤维和金属交替铺叠而成的层间混杂结构，同时具有传统金属材料和纤维复合材料的优秀性能。目前TU Delft大学和Airbus公司已经掌握了比较成熟的GLARE板制备技术［6］。FMLs具有更强的抗冲击性能，且在冲击载荷下同时表现出金属材料和复合材料的失效形式［7］。在仿真领域，主要通过ABAQUS/Explicit和LS-DYNA两款软件来实现对FMLs高速冲击的数值模拟［8］。Soutis等［9］采用LS-DYNA模擬了GLARE的高速冲击响应。

本研究使用拉格朗日方法，对玄武岩/钢混杂层板在多种工况下的弹道性能进行数值模拟，对3种铺层结构对抗侵彻性能的影响进行分析比较。本研究基于ANSYS/LS-DYNA的弹道冲击仿真方法，介绍以弹道极限速度为主的弹道性能评价体系，建立有限元模型，并验证其有效性。通过对球形弹丸对玄武岩/钢混杂层板侵彻过程的仿真分析，分析其弹道性能和失效形式。

1 冲击仿真方法

1.1 有限元仿真模型

本研究建立弹丸对混杂层板冲击过程的1/2模型。1/2靶板尺寸设定为135 mm×67.5 mm，球形弹丸直径为19 mm。为模拟3种不同铺层结构的玄武岩/钢混杂层板，建立3种几何模型，分别为2/1铺层结构、3/2铺层结构、4/3铺层结构。具体的靶板配置见表1。

对几何模型进行六面体网格划分如图1所示。在厚度方向上，每层钢板划分3个网格，每个纤维层划分1个网格。在层板中心的36 mm×18 mm区域内，进行网格加密处理，网格大小为0.75 mm×0.75 mm，在其他区域采用1.5 mm×1.5 mm的网格。控制球形弹丸的网格尺寸为0.75 mm，与层板中心侵彻关键区域的网格大小一致。

1.2 材料属性

钢层：Johnson-Cook本构模型。为有效描述高应变率下钢材的材料特性，一般使用Johnson -Cook本构模型［10］。本研究采用的304钢Johnson-Cook本构参数如表2所示［11］。

本次仿真分析采用的304钢失效参数见表3［11］。

纤维层：Chang-Chang本构模型。Chang-Chang准则将单层复合材料的失效形式分为4类［12］。本次仿真计算使用的纤维增强材料为玄武岩纤维，具体参数设置见表4、表5［13］。

弹丸：线弹性本构。在文献所述的试验中，弹丸质地较硬，在冲击结束后未产生明显变形［13］。故在仿真计算中采用线弹性本构。

2 冲击仿真验证

2.1 试验结果对比

进行了球形彈丸冲击3/2铺层靶板的仿真分析，将数值计算得到的剩余速度与文献中通过试验得出的剩余速度对比，如表6所示［13］。可以看出，在初始速度较高的情况下，数值计算结果与试验结果具有较好的一致性，最小误差为-6.25%。在初始速度较低的算例中产生了较大误差，在初始速度300 m/s的工况下误差最大，达到了-38.52%。

将弹丸的初始速度和穿透后的剩余速度绘制在初始速度-剩余速度坐标系中，得到球形弹丸侵彻3/2铺层靶板的弹道极限速度及拟合曲线如图2所示。在与试验数据拟合出的结果对比中可以看出，两条拟合曲线总体趋势的吻合情况较好，仿真与试验的弹道极限速度分别为281 m/s和290 m/s，误差为-3.20%。可以认为数值仿真结果与试验结果之间具有良好的一致性。

经过分析，误差产生的主要原因可能有以下几点：第一，仿真分析所使用的材料本构参数和层间接触参数，可能与试验中的实际情况存在一定的误差，混杂层板吸收能量相对较多，造成了仿真的剩余速度结果普遍偏低的现象。第二，有限元仿真分析过程中有着单元删除现象，对充塞块质量进行简化处理，并使用退化后的弹道极限速度公式，会在一定程度上影响到结果的数据拟合。第三，在吸收了相近能量的情况下，较低的初始能量会产生相对更大的速度差值，造成了初始速度较低时误差较大的问题，这也解释了试验模拟误差随初始速度降低而增大的现象。

2.2 网格无关性检验

为验证有限元仿真方法的网格无关性，针对球形弹丸冲击4/3铺层靶板的仿真算例，将玄武岩/钢混杂层板的有限元模型划分为了3种不同密度的网格。3种网格的具体尺寸参数见表7。

将弹丸的初始速度均设置为348 m/s，对采用3种网格划分模式的算例进行计算。比较3种网格计算得出的剩余速度，以及与试验结果的误差。计算结果如表8所示。

由表8可知， 3种网格中M2的网格最稀疏，计算时间最短，试验模拟误差相对较大。M1、M3两种网格的尺寸更加细密，试验模拟误差都比较小。M3相比于M1而言，进一步增加了计算时间，但并未带来精确性上的显著提升。以上的计算结果验证了本研究所述有限元计算方法的网格无关性。出于计算时间和精确性两方面的考虑，接下来工作中的所有仿真模型都将采用M1的网格划分模式。

3 仿真结果分析

将计算结果绘入初始速度-剩余速度坐标系内，得到3种铺层结构玄武岩/钢混杂层板的弹道极限速度分别为280 m/s、290 m/s、284 m/s（如图3所示）。可以看出，在面对球形弹丸冲击时，3/2铺层结构具有最高的弹道极限速度。这说明合理调整铺层结构可以起到提升抗冲击性能的作用。

由图3可知，3/2铺层靶板在400 m/s以下的初始速度冲击下均具有最低的剩余速度，是性能最优的混杂层板。但在初始速度更高的情况下，2/1铺层靶板在侵彻后剩余速度可能会更低，抗侵彻性能有超越3/2铺层靶板的趋势。同时，2/1铺层靶板的问题在于，它的弹道极限速度在3种铺层结构靶板中是最低的。4/3铺层靶板的弹道极限速度在2/1和3/2铺层靶板之间，但是其在高初始速度的工况下表现较差。

3种铺层靶板在破坏变形方面有很多共性特点。在球形弹丸的侵彻作用下，3种铺层混杂层板的前面板上均发生了剪切断裂现象，而后面板的破坏均以拉伸撕裂为主，产生了比前面板更大的破坏面积。

3种铺层靶板的仿真结果和试验现象具有一致性，都发生了钢层与纤维层大面积分层失效的现象。并且由于发生更多的分层失效现象，越复杂的铺层结构，背板的挠度也越大。分层失效的原因主要有两方面，一是钢层和纤维层之间波阻不匹配，应力波在层间的传播引起了分层失效；二是两种材料的刚度不一致，在协同变形的过程中，层间会产生较大的剪应力，导致靶板发生层间分层失效。至于纤维层的失效形式，3种铺层靶板之间存在着一定的差异。2/1铺层靶板的纤维层几乎全部发生剪切破坏。3/2和4/3铺层靶板的第一层纤维也都是以剪切破坏为主要失效形式的，但后面几层纤维则主要是发生了拉伸断裂。以4/3铺层靶板为例展示这种现象（如图4所示）。

4 结语

本研究使用数值模拟的方式，对一种玄武岩/钢混杂层板进行分析。针对3种不同铺层结构的玄武岩/钢混杂层板，开展了圆形弹丸正侵彻的多工况仿真计算，得出合理优化铺层结构可以提高混杂层板的抗侵彻能力，在多数情况下3/2铺层靶板都有着最好的防护性能。复杂的铺层结构能够改善混杂层板的失效形式，使后面板附近的铺层更倾向于呈现出拉伸断裂破坏。这有利于纤维增强复合材料发挥其性能优势，提升防护效果。然而在初始速度过高等剪切效应过强工况下，这种优化效果会被减弱。

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