PP/HDPE蜂窩防護結構抗侵徹性能研究

王運 陳首 陳自鵬

摘 ? ? ?要： 為研究聚丙烯（PP）和高密度聚乙烯（HDPE）蜂窩防護結構抗侵徹性能，對比了兩種材料拉伸和結構侵徹的試驗結果，并建立有限元模型，進行了不同工況下的槍彈侵徹數值模擬，并分析了試驗結果、模擬中結構的破壞形式和槍彈的侵徹深度。結果表明：1 000 m·s-1的槍彈對蜂窩防護結構的侵徹深度在30 cm左右，僅達到該結構設計厚度的一半，顯示了很好的抗侵徹性能;另外，相較于聚丙烯蜂窩防護結構，高密度聚乙烯蜂窩防護結構在被槍彈侵徹后破壞更小，結構完整性保持更好，對抗槍彈二次打擊的能力更強，且有較好的耐久性;同時，高密度聚乙烯蜂窩防護結構對槍彈也有一定的偏航作用，對保護結構背后的人員有著一定積極作用。

關 ?鍵 ?詞：聚丙烯;高密度聚乙烯;蜂窩防護結構;抗侵徹

中圖分類號：TQ325.1 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）10-2106-06

Abstract： In order to study the anti-penetration performance of polypropylene （PP） and high-density polyethylene （HDPE） honeycomb protection structures， the test results of tensile and structural penetration of the two materials were compared， and the finite element model was established. And then the test results， the destruction forms of the structure and the penetration depth of the bullet in the simulation were analyzed. The results showed that the penetration depth of 1 000 m·s-1 bullet in the honeycomb protection structure was about 30 cm， which was only half of the designed thickness of the structure. In addition， compared with the polypropylene honeycomb protection structure， the high-density polyethylene honeycomb structure had less damage after being penetrated by bullets， better structural integrity， stronger resistance to the second strike of bullets， and better durability. At the same time， the high-density polyethylene honeycomb protection structure also had a certain yaw effect on the bullet， and had a certain positive effect on the personnel behind the protection structure.

Key words： High density polyethylene; Polypropylene; Honeycomb protection structure; Penetration resistance

構筑防護結構是保存有生力量，掩護武器裝備，抵御敵方火力打擊的重要措施。即便是在現代化作戰方式發生極大改變、新型作戰裝備大量涌現的今天，防護結構的使用依舊有著非常重要的作用。近年來，國內外學者對多種防護結構進行了設計研究。美軍普遍使用一種叫HESCO的網籠堡壘（圖1），其采用鋼絲網籠和內襯土工布為預制構件構筑的堡壘，可折疊存儲，運輸體積小，結構簡單，使用構筑快，因此受到各國軍隊的重視。陶西貴[1]等設計了一種能自卸式展開設置的多用途防護裝置（圖2），實現了防護裝置與自卸裝置的車載機動運輸和裝卸一體化，有效提高了構筑效率與防護抗力的綜合效益。

然而，對于極端惡劣條件下構筑防御工事，笨重的構件給運輸、搬運、吊裝和安裝等帶來了極大不便，特別是自然條件艱苦的偏遠地區，這嚴重制約了部隊機動設防的速度和效率。為了使構筑防御工事更加便捷高效，聚合物的使用成為了設計防護結構的一種選擇。聚合物主要分為橡膠、塑料和纖維，而橡膠在力的作用下變形過大不適用于防護，纖維不易形變不適用于折疊運輸，塑料的性質處于兩者其間，更適合作為防護結構構件的材料。偏向橡膠性質的軟塑料，特別是聚丙烯和高密度聚乙烯材料，由于其耐酸堿、高強度、高耐磨性和良好的絕緣性，被廣泛地應用于各行各業。

在理論研究中，國內外學者對這兩種材料進行了大量研究，包括聚丙烯的拉伸特性[2]、高密度聚乙烯的拉伸變形研究[3]以及溫濕度影響的研究[4]等。同時，為了提升性能，還研究了鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土等[5]，探索了高密度聚乙烯與納米MgO、麻纖維等材料的結合[6-10]。KWON[11]等根據單軸拉伸擬合試驗結果分段描述了高密度聚乙烯的本構關系，馬塞爾[12]等利用Sherwood-Forst本構模型研究了高密度聚乙烯的單軸拉伸力學性能，很好地描述了其力學特性。另外，國內外學者還對高密度聚乙烯的損傷性能、沖擊后的斷裂行為進行了研究[13-15]。

在應用研究中，曹蘭付[16]等試驗了一種高密度聚乙烯塑料裝配式野戰防爆墻，結果表明該結構滿足5米外防護155 mm以下炮彈爆炸的作用。羅偉銘[17]對聚丙烯蜂窩防護結構（圖3）進行了槍彈侵徹數值模擬研究，結果表明聚丙烯蜂窩防護結構對侵徹子彈有偏航作用，且該結構對土體施加的側向約束作用使得結構整體的豎向承載能力大大增加。

石少卿等提出了一種質量輕、攜帶便捷、構筑快捷的高密度聚乙烯蜂窩防護結構（圖4），該結構每個單元長0.8 m，寬0.6 m，高0.5 m，可重疊設置多層。陳首[18]等對該結構中高密度聚乙烯膜厚度和子彈入射速度設置了9種工況進行數值模擬對比分析，結果表明增加高密度聚乙烯膜厚度能夠在一定程度上增強結構的抗侵徹性能，其中4 mm膜厚比較經濟實用，以及該結構對入射速度低于1 000 m·s-1的槍彈抗侵徹效果最好。

為了進一步研究該蜂窩結構抗侵徹性能，筆者首先對試驗現象進行對比分析，然后對聚丙烯和高密度聚乙烯蜂窩防護結構進行了槍彈侵徹數值模擬分析。

1 ?試驗現象分析

1.1 ?材料拉伸試驗現象分析

為了得到兩種材料準確的力學性能，我們對聚丙烯和高密度聚乙烯兩種材料進行了片材拉伸試驗。分析試驗結果可發現，在對聚丙烯片材進行拉伸時，隨著拉伸載荷的不斷增加，片材的應力-應變曲線呈線性關系，在快要達到其抗拉強度時，拉伸方向上出現微小的裂縫，隨之整個片材立即發生劈裂現象，斷裂為線狀塑料絲（圖5）。

對高密度聚乙烯片材進行拉伸時，開始應 ? 力-應變曲線也呈線性關系，但之后出現了較為明顯的屈服，達到最大拉伸強度后，應力-應變曲線開始明顯下降，其破壞形式不同于聚丙烯片材的撕裂狀，而是另外3種破壞形式（圖6）。

可見，聚丙烯片材表現出明顯的脆性，而高密度聚乙烯則表現出明顯的韌性。另外，經過長期的野外堆載，聚丙烯片材容易老化脫落，而高密度聚乙烯片材沒有出現明顯的老化和脫落。

1.2 ?槍彈試驗現象分析

在槍彈試驗中，兩種結構也表現出了明顯的差別。高密度聚乙烯蜂窩防護結構被槍彈侵徹后（圖7），彈孔主要呈與槍彈半徑差不多的向內凹陷的圓孔，沒有明顯的材料撕裂，而聚丙烯蜂窩防護結構被槍彈侵徹后（圖8），彈孔呈長條形的撕裂狀，材料發生斷裂，并且破壞面積遠遠大于前者，使得填充土體外漏，形成較大空腔。

2 ?數值模擬分析

為了對更多工況下的抗侵徹性能進行對比分析，避免大量的試驗支出，根據已有的材料和結構數據，進行了數值模擬。

2.1 ?模型建立

彈頭模型采用圓形彈頭，入射速度設定為 ? ?1 000 m·s-1，膜厚度設定為0.004 m，每個蜂窩結構長度為0.8 m，寬度為0.6 m，高度為0.5 m，槍彈材料選用*MAT_PLASITY_KINEMATIC，高密度聚乙烯膜材料選用*MAT_PLASTICITY_POLYMER，聚丙烯膜材料選用*MAT_COMPOSITE_DAMAGE，土體材料選用*MAT_SOIL_AND_FOAM_FAILURE。

2.2 ?工況設置

如圖8所示，設定3個槍彈入射角度，分別為0°、30°、60°方向入射，設置高密度聚乙烯膜和聚丙烯膜兩種膜材料，共6種工況，如表1所示。

2.3 ?模擬現象分析

2.3.1 ?槍彈0°入射的現象分析

1）工況1：圖9所示為槍彈0°入射聚丙烯蜂窩防護結構的模擬結果。隨著槍彈的入射，聚丙烯膜開始破壞，逐漸撕裂形成入射方向左右寬、上下窄的口子，彈孔中部片狀材料外翻。土體形成與膜破壞形狀相似的空腔，塌落較明顯。槍彈在結構內部沒有明顯的偏航。

2）工況2：圖10所示為槍彈0°入射高密度聚乙烯蜂窩防護結構的模擬結果。槍彈侵徹初期，彈孔周圍高密度聚乙烯膜出現同槍彈直徑略大的向內凹陷的孔洞。隨著槍彈侵徹的深入，土體開始破壞，孔洞略有增大，土體內出現類似于圓柱體的空腔結構，其大小小于工況1，輪廓外形更加聚攏，內部土體塌落程度較小。槍彈在空腔內旋轉，并略向左側侵徹，同時還向z正方向有一定位移。

2.3.2 ?槍彈30°入射的現象分析

1）工況3：圖11所示為槍彈30°入射聚丙烯蜂窩防護結構的模擬結果。相比0°入射侵徹聚丙烯蜂窩防護結構，破壞主要向右側發展，但膜依舊撕裂出左右寬、上下窄的口子，略偏向右側。槍彈向結構縱深方向的侵徹深度減小，但土體塌落程度較大。同時，槍彈略向z正方向偏移。

2）工況4：圖12所示為槍彈30°入射高密度聚乙烯蜂窩防護結構的模擬結果。與工況2類似，但空腔偏向右側，縱深方向的侵徹深度減小，孔洞處高密度聚乙烯膜翻起，孔洞較工況2略大。與工況3相比，土體空腔更小，彈頭向右側侵徹深度也較小，z方向位移相不明顯。

2.3.3 ?槍彈60°入射的現象分析

1）工況5：圖13所示為槍彈60°入射聚丙烯蜂窩防護結構的模擬結果。槍彈入射后，由于入射方向兩側受力的不均衡，彈頭向右側轉動，很快向外偏航出土體。相較于0°角入射和30°角入射，槍彈侵徹后所形成的空腔主要向右側延伸，仍然有片狀材料斷裂外翻的情況。

2）工況6：圖14所示為槍彈60°入射高密度聚乙烯蜂窩防護結構的模擬結果。同工況2、4效果相比，侵徹初期，槍彈將高密度聚乙烯膜撕裂開口子后，侵徹入土體，形成了相對于這幾個工況較大的孔洞，但土體空腔較小，并向右側發展。而后，在一側土體的作用下，彈頭同工況5一樣向右側轉動，槍彈向外發生偏航，以至完全脫離結構，并帶有旋轉。期間，高密度聚乙烯膜上出現長條形的拉痕。

2.4 ?模擬數據分析

2.4.1 ?槍彈0°入射的現象分析

圖15所示為工況1、2在x、y和z方向的侵徹深度對比。對比x方向侵徹深度，入射聚丙烯蜂窩防護結構時，槍彈向x負方向的最大侵徹深度約為0.007 58 m，而入射高密度聚乙烯蜂窩防護結構時，槍彈先向x負方向小距離偏航， 0.000 8 s后突然加速向x負方向侵徹至-0.040 7 m，其侵徹深度的絕對值比聚丙烯蜂窩防護結構時的侵徹深度絕對值大0.033 12 m。這說明槍彈入射高密度聚乙烯防護結構更容易被干擾入射形態而偏航。更大的偏航主要是因為高密度聚乙烯膜比聚丙烯膜韌性更大，在槍彈入射時對其作用時間更長，聚丙烯膜的脆性斷裂減短了對槍彈的作用時間。

對比y方向侵徹深度，槍彈在高密度聚乙烯蜂窩防護結構中侵徹深度隨時間變化的斜率更小，侵徹速率更慢。槍彈對高密度聚乙烯蜂窩防護結構在y方向的侵徹深度為0.304 m，而對聚丙烯蜂窩防護結構在y方向的侵徹深度為0.319 m，侵徹深度略微降低。

在z方向的最大深度分別是0.010 9 m和 ?0.011 76 m，差距不大。但從圖表中可以發現，在高密度聚乙烯蜂窩防護結構中，槍彈更早發生z方向偏航，也說明了高密度聚乙烯蜂窩防護結構更容易使得槍彈發生偏航。

2.4.2 ?槍彈30°入射的現象分析

圖16所示為工況3、4在x、y和z方向的侵徹深度對比。對比y方向侵徹深度，槍彈對高密度聚乙烯防護結構的侵徹深度為0.275 5 m，小于對聚丙烯蜂窩防護結構的侵徹深度0.287 4 m，侵徹深度略有降低，但在x方向上，槍彈對高密度聚乙烯蜂窩防護結構的侵徹深度最大為0.227 6 m，大于對聚丙烯蜂窩防護結構0.174 88 m的侵徹深度，侵徹深度增大了30%，而且侵徹速率大于對聚丙烯蜂窩防護結構的侵徹速率。這說明在槍彈30°入射的工況下高密度聚乙烯對槍彈的偏航作用更加明顯，使得槍彈增加了x方向的侵徹，減少了y方向的侵徹，對結構后方的人員保護起到了積極作用。

在z方向上，高密度聚乙烯蜂窩防護結構中槍彈只是略微向正方向侵徹了0.008 25 m，而在聚丙烯蜂窩防護結構中為0.002 93 m，也說明高密度聚乙烯蜂窩防護結構對槍彈偏航作用更好。

2.4.3 ?槍彈60°入射的現象分析

圖17所示為工況5、6在x、y和z方向的侵徹深度對比。槍彈在結構中經過短暫侵徹后，在 ?0.000 05 s左右偏航出防護結構。對高密度聚乙烯蜂窩防護結構在x、y和z方向上的最大侵徹深度分別為0.049 8、0.022 4、-0.000 088 m，對聚丙烯蜂窩防護結構在x、y和z方向上的最大侵徹深度分別為0.049 7、0.022 8、0.000 0476 m。侵徹深度不大且相差不明顯，z方向的侵徹深度可以忽略不計。其主要原因是由于入射角過大，槍彈在侵徹入結構后，很快在左右受力不均衡的條件下偏航出結構體。

表2為槍彈在各工況中x、y和z方向最大侵徹深度的對比。從表中可以發現，在y方向的最大侵徹深度在30 cm左右，只有結構設計厚度的一半左右，說明無論是聚丙烯還是高密度聚乙烯蜂窩防護結構對輕武器的抗侵徹性都較好。而在高密度聚乙烯蜂窩防護結構中，槍彈在y方向的侵徹都更小，而x方向侵徹深度更大，對保護結構背面人員有積極作用。z方向的侵徹深度在兩種材料中差距不大。同時，槍彈入射角度越大，在y方向侵徹就越小，在x方向侵徹就越大。

3 ?結 論

本文通過對試驗結果和不同工況下的數值模擬對比分析，得到以下結論：

1）所研制的高密度聚乙烯蜂窩防護結構可將槍彈在縱深方向的侵徹深度控制在30 cm左右，不到結構厚度的一半，多層的蜂窩防護結構可以很好地對輕武器進行防護。

2）相比聚丙烯材料制作的蜂窩防護結構，高密度聚乙烯蜂窩防護結構在槍彈侵徹時，彈孔更小，材料不易斷裂，內部填充物不易飛濺、塌落和外漏，結構完整性保持更好，具備抵抗槍彈多次打擊的能力，同時具有較好的耐久性。

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