弹道冲击下混合叠层体的吸能机理及防弹性能研究

In order to improve ballistic performance of soft body armor, hybridization is one of efficient and available measure to optimize construction of ballistic armor panel. However, energy absorption mechanisms in a multi-layer armor panel have not been fully identified. This results in inefficient material selection for hybridization. This proposal aims to identify energy absorption mechanisms in hybrid multi-layer armor panels and reveal its influence on ballistic performance，in order to achieve improvement of ballistic performance through efficient hybrid design. Two complementary research approaches are employed in this study, namely the empirical method and Finite Element Analysis (FEA). Research objectives include: 1）identifying different ballistic responses of each layer in a multi-layer panel, such as stress distribution, transverse deformation, energy absorption and failure modes; 2）revealing energy absorption distribution of each layer in multi-layer armor panel at different impact conditions and with different materials and structures of layer; 3) identifying different requirements in different positions in the panel, and putting forward a principle of panel division; 4) designing new hybrid armor panels to confirm energy absorption mechanisms in multi-layer armor panel through positive effect of hybridization on ballistic performance. These results will provide a theory guide for design of hybrid armor panel.

为提高软体防弹衣的防弹性能并尽可能地降低重量，采用不同材质混合使用，对防弹层进行结构优化是目前最为现实有效的手段。然而，叠层结构在弹道冲击下的吸能机理至今尚未明确，故难以有的放矢地合理选材，优化结构。本项目旨在明确混合叠层体的吸能机理及对防弹性能的影响，从而实现高效的混质叠层设计以提高整体防弹性能。本项目拟采用有限元数值模拟和实验测试相结合的手段，具体研究以下内容：1) 以同材质叠层体为基础研究对象，分析叠层体内各层材料的弹道冲击响应及其特点差异，如：应力分布、横向变形、能量吸收和损伤模式等，2) 揭示不同冲击条件和材料结构条件下，叠层体内各层能量吸收分布的普遍规律；3) 明确叠层体内不同位置对防弹层材料的性能要求，并据此提出叠层体结构功能分区理论；4) 通过混质叠层靶板设计和弹道测试验证叠层体内吸能机理的有效性。本项目的研究成果可为软体防弹衣的混质结构设计提供理论指导。

为提高软体防弹衣的防弹性能并尽可能地降低重量，采用混质靶板进行结构优化是目前最为现实有效的手段。本项目旨在明确叠层体靶板的吸能机理从而实现混质协同效应以提高整体防弹性能。研究主要针对芳纶织物叠层靶板、超高分子量聚乙烯软质(UHMWPE)UD靶板和硬质靶板，采用有限元数值分析和实验测试相结合的手段，深入分析不同防弹材料力学性质、不同类型叠层靶板的弹道冲击响应特点、靶板不同位置的损伤机制以及协同混质效应的产生机制等内容。.对于软质叠层织物靶板，织物结构对防弹性能的影响显著。织物中纱线截面的长径比越大，纱线越扁，越有利于织物吸能。而纱线径向的屈曲率越高，弹道冲击作用下纱线上的应力波速明显下降。因此织物结构越紧密，织物的比吸能越低。当屈曲率较大时，织物产生局部应力集中，导致纱线在冲击区域内快速断裂，不利于织物吸能。然而经涂胶整理后，织物结构对防弹性能的影响几乎没有，原因可能是树脂的粘附抵消了纱线屈曲对吸能的作用。.在软质超高分子量聚乙烯UD靶板内随着层数的增加比吸能逐渐增加到一个最高值，当达到弹道极限范围后再增加UD层数比吸能明显下降。这一结果是由于靶板的迎弹面附近前几层存在明显的热熔损伤，由于断裂机制的不同，前几层材料的吸能效率较低；而后面的材料主要以拉伸断裂为主可充分发挥力学性能，从而持有较高的吸能效率。根据以上结论设计不同的芳纶UD/UHMWPE UD混质靶板，结果证实了UHMWPE UD靶板迎弹面附近存在敏感区，当芳纶UD置于该区域内，比吸能明显高于两种材质的同质靶板，混质协同效应出现。一旦混入层数超过这个区域，整体吸能明显下降。硬质靶板同样发现这一规律，只有在靶板前敏感区混入芳纶才能提高吸能，否则背凸增加，整体性能下降。.以上结论表明混质靶板对提高靶板防弹吸能以及减重确实存在积极作用，但不同材质的混合方式必须根据靶板不同位置的弹道冲击响应特点以及损伤机制的差异进行针对性设计，才能出现混质协同效应。