超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维复合材料包裹点阵复合结构抗侵彻性能研究

Along with the pressing demand of national defense, increasingly more attention has been paid on developing high performance lightweight hybrid or composite armors. We carry out experiments, analytical modelling as well as numerical simulations to investigate the ballistic performance of UHMWPE encapsulated hybrid-cored sandwich armors. Upon analyzing the deformation and failure mechanisms and energy absorption of sub-materials and sub-structures, optimal design is carried out. The sensitivity of the overall ballistic resistance to different encapsulating methods, laminate types,and laminate thicknesses are quantified to clarify the mechanisms of constraint effects of UHMWPE composites. Interfacial debonding and deformation model of laminate layers are also focused to understand energy absorption capability of UHMWPE composites. This project will provide significant design benchmarks in engineering applications.

随着国防工业的发展，防护装甲结构的轻量化设计已成为科学与工程领域研究的热点与重点。本项目以轻质装甲防护结构为工程背景，从实验、理论与数值模拟角度对新型超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维复合材料包裹点阵复合结构进行抗侵彻性能研究，分析结构内各子结构/材料的变形/破坏、损伤机理及能量吸收效率。关注UHMWPE纤维材料约束层在不同包裹铺层方式、铺层厚度及不同纤维材料种类下相对应的不同约束条件对结构的抗侵彻性能的影响，建立纤维包裹层对复合结构的约束理论模型，给出不同约束条件下复合结构抗侵彻性能的变化规律并实现优化设计。此外，关注UHMWPE纤维材料包裹约束层层间的变形、损伤及破坏行为，并提出相对应的层间力学特性理论分析模型。本项目的研究将为相关工程应用领域提供有意义的指导及技术支撑。

随着反装甲武器系统的发展以及战场环境的变化，开发轻质、高性能的装甲防护系统变得愈发重要。如何满足新形势下现代战争的防护需求，实现装甲防护效能与机动性能的有机结合是目前动态防护领域的热点，具有重要的学术研究和工程应用价值。近年来，研究者们通过材料增强、结构优化、多材料/结构混杂等方式使装甲的防护性能得到不断强化，装甲设计也逐渐朝着新概念、新原理、新结构和新材料等方向发展。鉴于此，本研究从实验、理论与数值模拟角度对新型超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维复合材料包裹点阵金属/陶瓷复合结构开展抗侵彻性能研究。主要结论包括：建立了正交UHMWPE层合板渐进式侵彻过程的理论框架，相关理论预测结果与实验结果最大误差为12.8%；提出了针对UHMWPE复合材料的亚层合板数值模拟方法，在与实验对比验证基础上探究了层间界面强度对UHMWPE复合材料层合板抗侵彻性能的影响；对于UHMWPE三维约束陶瓷复合装甲结构，从理论、实验与数值模拟角度系统研究了不同三维约束条件下、不同弹速/倾角下纤维包裹层对陶瓷复合结构的增强效应规律及子结构能量吸收效率，给出了不同工况下UHMWPE三维约束封装最优设计并阐明了三维约束的防护增强机理；提出了一种蜂窝点阵-封装复合增强陶瓷装甲结构，通过实验与数值模拟手段分析结构内各子结构/材料的变形/破坏、损伤机理及能量吸收行为，证明了新型蜂窝点阵-UHMWPE三维约束陶瓷复合结构具有显著的抗侵彻性能优势并给出了进一步降低面密度的解决方案。