双轴向多层经编针织复合材料弹道侵彻破坏

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1、第十届全国冲击动力学学术会议论文集双轴向多层经编针织复合材料弹道侵彻破坏竺铝涛，顾伯洪*东华大学纺织学院高性能纤维及制品教育部重点实验室(B类)，上海，201620摘要：本文介绍双轴向多层经编针织复合材料在刚性弹体侵彻作用下的靶体破坏实验测试结果和有限元计算结果，并与三维正交机织复合材料弹道冲击性能作对比，分析两类复合材料弹道侵彻破坏的特点。建立双轴向针织复合材料单胞结构模型和细观结构模型，编写双轴向针织复合材料刚度矩阵和临界失效面积准则用户子程序，联合商用有限元程序包ABAQUS数值模拟弹道冲击破坏过程，分析复合材料靶体弹道侵彻破坏机理。关键词：双轴向

2、多层经编针织复合材料；弹道侵彻；单胞；细观结构；有限元复合材料因轻质高强特点被越来越多地用于防护领域，尤其是三维纺织结构复合材料。三维纺织结构复合材料是以三维纺织预成型体作为增强结构的复合材料。三维纺织结构复合材料具有增强结构的整体性和存在贯穿于厚度方向的纤维束，具有极高的断裂韧性和抗分层能力，在冲击载荷下不发生分层现象并具有较高的冲击损伤容限。借助三维纺织结构复合材料极为重要的预成型体净型(net-shape)制造特点，可以对特殊部位的异型结构件进行一次成型制造，避免因材料拼接而导致的结构缺陷。三维纺织结构复合材料在飞行器、高速车辆和弹道防护材料等涉及

3、冲击加载或高频加载的极端加载场合中有极大的应用潜力[1]。高性能纤维(如kevlar®纤维)的发展进一步促进了纤维增强复合材料在冲击防护领域的应用，如涡轮叶片牵制机构，机身保护装置和防弹衣等。早在1991年，Jenq等[2]就研究了玻璃纤维增强复合材料(GFRP)层压板在弹道冲击后的剩余强度。Abrate[3,4]对复合材料层压板在较低速弹道冲击下的力学性能做了全面系统的总结。近年来，关于纤维增强复合材料弹道冲击方面的研究很多[5-8]。Cheeseman等[9]总结影响弹道冲击性能的一系列因素，如子弹的几何尺寸、速度、纱线性能、织物结构、边界条件的定义

4、、层合板的铺层数和摩擦性能等。Gu等[10-13]研究一系列三维编织复合材料在锥形圆柱钢弹冲击下的弹道侵彻破坏性能，探讨影响织物及其复合材料弹道侵彻的因素。另有许多研究者对纺织结构复合材料弹道侵彻性能进行深入研究[14-22]。但目前工作更多关注于层合板、机织复合材料和编织复合材料，对针织复合材料弹道冲击性能研究较少。针织复合材料以针织结构作为预成型增强结构，针织结构具有较好的适型性，通过在针国家自然科学基金资助项目(批准号:10872049)和教育部科学研究重大项目(批准号:309014)通讯作者：顾伯洪，电子邮箱：gubh@dhu.edu.cn电话：

5、021-67792661,13661478551第十届全国冲击动力学学术会议论文集织结构中添加衬经纱和衬纬纱能大幅度增强织物刚度和强度。本论文采用玄武岩纤维作为增强纤维制作双轴向多层经编针织(biaxialmulti-layeredwarpknitting,BMWK)复合材料，进行弹道冲击测试，并采用单胞本构模型和细观结构有限元模型，编写双轴向针织复合材料刚度矩阵和临界失效面积准则用户子程序VUMAT(vectorizeduser-definedmaterials)，结合有限元程序ABAQUS/Explicit计算弹道冲击下材料破坏模式，比较分析两种模型

6、在弹道冲击计算中的特点。与三维正交机织复合材料比较，讨论该两类复合材料弹道侵彻性能的差异。1复合材料试件及弹道测试1.1弹体实验用弹体为56式7.62mm钢芯穿甲燃烧弹，弹体的质量是7.69g，直径是7.82mm，具体形状尺寸见图1。图1锥形圆柱钢弹的尺寸结构示意图1.2双轴向多层经编针织(BMWK)复合材料双轴向多层经编针织结构的针织纱采用高强涤纶丝，经纬向增强纱线采用无捻高性能玄武岩纤维束，玄武岩纤维束由横店集团俄金玄武岩纤维有限公司制造，具体参数详见表1。表1双轴向多层经编针织(BMWK)织物参数纱线纤维束层数线密度（tex）编织密度（ends/1

7、0cm）经纱玄武岩纤维束11100039纬纱玄武岩纤维束11120033线圈纱高强涤纶丝11156---复合材料加工采用VARTM(VacuumAssistantResinTransferMoulding)成型技术[23-25]，即真空辅助树脂传递模压法，如图2所示，固化成型所得制品的厚度为0.47cm，纤维的体积分数为57.4%。2攀登!一．———一第十届全国冲击动力学学术会议论文集图2双轴向多层经编针织复合材料成型原理1.3三维正交机织复合材料试验所采用增强体是荷兰生产的无捻Twaron芳纶纤维织物，经向和纬向均采用中国巨石集团生产的无捻无碱E玻璃纤

8、维，其参数规格如表2所示。表23-D正交机织物的规格纱线纤维束层数线密度（tex