基于3D-DIC 技术的老化UHMWPE 无纬布准静态拉伸性能研究

目的通过研究老化后的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)无纬布力学特性,了解防弹衣在自然环境下的抗老化性能,为防弹装备使用和存储提供科学指导。方法采用三维数字图像相关技术(3D-DIC)和万能材料试验机开展了其准静态拉伸力学性能测试。结果十年自然老化后的UHMWPE无纬布应力应变曲线仍呈近似线性特征,但平均拉伸模量仅为18.0 GPa。结合试验过程中的全场应变变化过程,分析了UHMWPE无纬布试件的变形特性,发现拉伸过程中应变在分析区域内的分布较均匀。结论十年自然老化后的UHMWPE无纬布软质防弹衣平均拉伸模量明显降低,防弹性能无法满足使用要求。

SiC/UHMWPE防弹插板在步枪弹侵彻下的动态响应研究

对防弹插板在高速冲击下的动态力学响应进行研究,不仅可为新型单兵防弹护装备研发提供指导,也可为高性能穿甲枪弹设计提供参考。首先建立了5.56 mm SS109步枪弹侵彻NIJⅢ级SiC/UHMWPE防弹插板的数值模型,采用JHB(Johnson-Holmquist-Beissel)本构和基于ABAQUS较件二次开发的VUMAT本构分别模拟SiC陶瓷和UHMWPE层合板,通过与基于3D-DIC的防弹插板试验结果对比验证了数值模型的准确性,获得了防弹插板背面变形(back face deformation,BFD)的动态响应过程,并开展了弹丸斜侵彻防弹插板的研究。仿真结果表明:弹丸在侵彻防弹插板40μs后速度从810m/s衰减至218 m/s,防弹插板与弹丸接触的陶瓷块严重碎裂;弹丸仅穿透了两层UHMWPE等效层,UHMWPE层合板弹着点区域产生纤维和基体损伤及分层,到700μs时BFD达到最大,为18.72 mm;防弹插板背面剪应变以弹着点为中心呈“L形”分布,UHMWPE层合板等效应力场呈“菱形”分布,且中间层等效应力水平最高。当弹丸以30°和45°角入射时,防弹插板的BFD峰值分别为11.59 mm和6.84 mm,比垂直入射时分别减小38.09%和64.46%。

破片侵彻戴防弹头盔头部靶标钝击效应数值模拟

为研究低速破片对于佩戴防弹头盔的人体头部靶标的杀伤效应,基于枪弹侵彻防弹头盔的3D-DIC试验和和头部撞击试验验证复合材料头盔仿真模型和头部有限元模型的准确性,构建6 mm钢球破片侵彻戴防弹头盔人体头部靶标的数值模型,开展破片从正面、侧面和顶部3个方向的侵彻效应数值模拟。研究结果表明:当破片以600 m/s的入靶速度侵彻时,正面、侧面和顶部侵彻弹着点处的瞬态鼓包高度分别为10.2 mm、11.3 mm和11.5 mm,表明有头部支撑头盔的情况下破片侵彻造成的背面鼓包高度接近;正面侵彻过程弹着点底部颅骨应力最大,侧面侵彻颅骨弹着点底部应力最小,破片侵彻造成的颅骨应力均不会超过损伤阈值,表明低速破片侵彻不会造成颅骨损伤;正面、侧面和顶部侵彻造成的颅内压峰值分别为495 kPa、110 kPa和327 kPa,表明在破片侵彻中侧面的防护效果最好,正面和顶部的颅内压峰值可以造成脑损伤。

基于ABAQUS二次开发的球形破片侵彻UHMWPE软质防弹衣数值模拟

为准确模拟破片侵彻防弹衣的过程,揭示破片与软质防弹衣相互作用机制,本文基于ABAQUS用户子程序VUMAT编写了适用于模拟软质防弹衣材料力学性能的本构模型,建立了球形破片侵彻软质防弹衣的有限元模型,数值模拟结果与实验吻合较好。本构模型中材料失效模式数据表明,无纬布主要发生纤维拉伸、基体拉伸和压缩失效;在钢球侵彻防弹衣的初期,无纬布上的应力云图一般呈现较规则的圆形或椭圆形,然后再慢慢向四周扩散;钢球侵彻软质防弹衣的过程中伴随有较明显的纤维层间分层失效,未穿透的纤维层中也出现了分层的现象,分层面积从迎弹面到背弹面先减小后增大再减小。

PASGT防弹头盔在手枪弹冲击下的防护性能

新型防弹头盔虽然能有效减少手枪弹穿透性损伤,但头盔内表面变形(Back face deformation,BFD)仍有可能对人体头部造成损伤。为准确模拟防弹头盔受到子弹冲击时的瞬态力学响应,基于Abaqus的用户材料子程序VUMAT编写了适用于模拟复合材料防弹头盔力学性能的渐进损伤本构模型,建立了9 mm铅芯手枪弹以343 m/s侵彻PASGT芳纶防弹头盔的有限元模型,从头盔BFD曲线和内表面鼓包形态两方面验证了数值模拟的准确性。防弹头盔失效模式表明,头盔主要发生纤维拉伸、基体压缩和分层失效;子弹侵彻防弹头盔的过程中,头盔上的应力云图在初期呈现较为规则的菱形,然后再慢慢向四周扩散演化为圆形;子弹以三种不同入射角(30°、45°、60°)冲击头盔顶部时均出现了跳弹,反跳后的速度分别为72.9 m/s、165.5 m/s和240.1 m/s。最后采用钝性准则对头盔内表面变形可能造成的颅骨骨折概率进行了估算。