纖維金屬混雜層板抗侵徹性能的仿真分析

童謠 袁野 楊振寰 曲嘉

摘 要：【目的】根據(jù)艦船輕量化的設(shè)計(jì)要求，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料存在著抗沖擊性能差等問題，需對(duì)其抗沖擊性能進(jìn)行研究?！痉椒ā拷⒂邢拊Ｐ?，對(duì)一種適于海洋環(huán)境的玄武巖/鋼混雜層板的抗侵徹性能進(jìn)行研究，并驗(yàn)證其有效性。再對(duì)各工況下混雜層板的彈道性能和失效行為進(jìn)行對(duì)比分析?！窘Y(jié)果】多數(shù)情況下3/2鋪層靶板的防護(hù)性能最好，復(fù)雜的鋪層結(jié)構(gòu)能夠優(yōu)化混雜層板的失效形式，使背板附近的鋪層更傾向于呈現(xiàn)拉伸斷裂的破壞形式?！窘Y(jié)論】該破壞形式有利于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，提升防護(hù)效果。

關(guān)鍵詞：纖維金屬混雜層板；鋪層結(jié)構(gòu)；侵徹；破壞形式；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TB33? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2024）06-0091-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.018

Simulation Analysis of Anti-Penetration Performance of Fibre-metal Hybrid Laminates

TONG Yao1 YUAN Ye2 YANG Zhenhuan2 QU Jia2

（1 .China Academy of Space Power Technology， Xi'an 710025， China;

2. School of Aerospace and Architectural Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China）

Abstract： [Purposes] According to the lightweight design requirements of ships， fibre-reinforced composites have problems such as poor impact resistance， which need to be investigated. [Methods] In this paper， a basalt/steel hybrid laminate suitable for the sea is investigated for its anti-penetration performance. A finite element model is established and its validity is verified. Then the ballistic performance and failure behaviour of the hybrid laminates under various working conditions are studied comparatively. [Findings] The results show that the 3/2-layered target plate has the best protection performance in most cases， and the complex layup structure can optimize the failure form of the hybrid laminate， so that the layup near the backing plate is more inclined to show the damage form of tensile fracture. [Conclusions] This damage from is conducive to the fibre-reinforced composites to give play to their performance advantages and enhance the protective effect.

Keywords： fibre-metal hybrid laminates;lay-up structure; penetration;damage forms; numerical simulation.

0 引言

國(guó)防安全是經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展和人民正常生活的保證［1］。其中，海洋安全在國(guó)防領(lǐng)域具有重要的意義，這就對(duì)艦船的性能提出了更高的要求［2-3］。為維護(hù)海洋安全，越來越多的新材料、新結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于船舶的建造當(dāng)中。在這些新型材料中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其優(yōu)良的力學(xué)性能而廣受關(guān)注［4-5］。纖維金屬層板（fiber metal laminates，F(xiàn)MLs） 作為一種纖維和金屬交替鋪疊而成的層間混雜結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有傳統(tǒng)金屬材料和纖維復(fù)合材料的優(yōu)秀性能。目前TU Delft大學(xué)和Airbus公司已經(jīng)掌握了比較成熟的GLARE板制備技術(shù)［6］。FMLs具有更強(qiáng)的抗沖擊性能，且在沖擊載荷下同時(shí)表現(xiàn)出金屬材料和復(fù)合材料的失效形式［7］。在仿真領(lǐng)域，主要通過ABAQUS/Explicit和LS-DYNA兩款軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)FMLs高速?zèng)_擊的數(shù)值模擬［8］。Soutis等［9］采用LS-DYNA模擬了GLARE的高速?zèng)_擊響應(yīng)。

本研究使用拉格朗日方法，對(duì)玄武巖/鋼混雜層板在多種工況下的彈道性能進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)3種鋪層結(jié)構(gòu)對(duì)抗侵徹性能的影響進(jìn)行分析比較。本研究基于ANSYS/LS-DYNA的彈道沖擊仿真方法，介紹以彈道極限速度為主的彈道性能評(píng)價(jià)體系，建立有限元模型，并驗(yàn)證其有效性。通過對(duì)球形彈丸對(duì)玄武巖/鋼混雜層板侵徹過程的仿真分析，分析其彈道性能和失效形式。

1 沖擊仿真方法

1.1 有限元仿真模型

本研究建立彈丸對(duì)混雜層板沖擊過程的1/2模型。1/2靶板尺寸設(shè)定為135 mm×67.5 mm，球形彈丸直徑為19 mm。為模擬3種不同鋪層結(jié)構(gòu)的玄武巖/鋼混雜層板，建立3種幾何模型，分別為2/1鋪層結(jié)構(gòu)、3/2鋪層結(jié)構(gòu)、4/3鋪層結(jié)構(gòu)。具體的靶板配置見表1。

對(duì)幾何模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分如圖1所示。在厚度方向上，每層鋼板劃分3個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)纖維層劃分1個(gè)網(wǎng)格。在層板中心的36 mm×18 mm區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格大小為0.75 mm×0.75 mm，在其他區(qū)域采用1.5 mm×1.5 mm的網(wǎng)格。控制球形彈丸的網(wǎng)格尺寸為0.75 mm，與層板中心侵徹關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格大小一致。

1.2 材料屬性

鋼層：Johnson-Cook本構(gòu)模型。為有效描述高應(yīng)變率下鋼材的材料特性，一般使用Johnson -Cook本構(gòu)模型［10］。本研究采用的304鋼Johnson-Cook本構(gòu)參數(shù)如表2所示［11］。

本次仿真分析采用的304鋼失效參數(shù)見表3［11］。

纖維層：Chang-Chang本構(gòu)模型。Chang-Chang準(zhǔn)則將單層復(fù)合材料的失效形式分為4類［12］。本次仿真計(jì)算使用的纖維增強(qiáng)材料為玄武巖纖維，具體參數(shù)設(shè)置見表4、表5［13］。

彈丸：線彈性本構(gòu)。在文獻(xiàn)所述的試驗(yàn)中，彈丸質(zhì)地較硬，在沖擊結(jié)束后未產(chǎn)生明顯變形［13］。故在仿真計(jì)算中采用線彈性本構(gòu)。

2 沖擊仿真驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

進(jìn)行了球形彈丸沖擊3/2鋪層靶板的仿真分析，將數(shù)值計(jì)算得到的剩余速度與文獻(xiàn)中通過試驗(yàn)得出的剩余速度對(duì)比，如表6所示［13］?？梢钥闯觯诔跏妓俣容^高的情況下，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，最小誤差為-6.25%。在初始速度較低的算例中產(chǎn)生了較大誤差，在初始速度300 m/s的工況下誤差最大，達(dá)到了-38.52%。

將彈丸的初始速度和穿透后的剩余速度繪制在初始速度-剩余速度坐標(biāo)系中，得到球形彈丸侵徹3/2鋪層靶板的彈道極限速度及擬合曲線如圖2所示。在與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出的結(jié)果對(duì)比中可以看出，兩條擬合曲線總體趨勢(shì)的吻合情況較好，仿真與試驗(yàn)的彈道極限速度分別為281 m/s和290 m/s，誤差為-3.20%?？梢哉J(rèn)為數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間具有良好的一致性。

經(jīng)過分析，誤差產(chǎn)生的主要原因可能有以下幾點(diǎn)：第一，仿真分析所使用的材料本構(gòu)參數(shù)和層間接觸參數(shù)，可能與試驗(yàn)中的實(shí)際情況存在一定的誤差，混雜層板吸收能量相對(duì)較多，造成了仿真的剩余速度結(jié)果普遍偏低的現(xiàn)象。第二，有限元仿真分析過程中有著單元?jiǎng)h除現(xiàn)象，對(duì)充塞塊質(zhì)量進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，并使用退化后的彈道極限速度公式，會(huì)在一定程度上影響到結(jié)果的數(shù)據(jù)擬合。第三，在吸收了相近能量的情況下，較低的初始能量會(huì)產(chǎn)生相對(duì)更大的速度差值，造成了初始速度較低時(shí)誤差較大的問題，這也解釋了試驗(yàn)?zāi)M誤差隨初始速度降低而增大的現(xiàn)象。

2.2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)

為驗(yàn)證有限元仿真方法的網(wǎng)格無關(guān)性，針對(duì)球形彈丸沖擊4/3鋪層靶板的仿真算例，將玄武巖/鋼混雜層板的有限元模型劃分為了3種不同密度的網(wǎng)格。3種網(wǎng)格的具體尺寸參數(shù)見表7。

將彈丸的初始速度均設(shè)置為348 m/s，對(duì)采用3種網(wǎng)格劃分模式的算例進(jìn)行計(jì)算。比較3種網(wǎng)格計(jì)算得出的剩余速度，以及與試驗(yàn)結(jié)果的誤差。計(jì)算結(jié)果如表8所示。

由表8可知， 3種網(wǎng)格中M2的網(wǎng)格最稀疏，計(jì)算時(shí)間最短，試驗(yàn)?zāi)M誤差相對(duì)較大。M1、M3兩種網(wǎng)格的尺寸更加細(xì)密，試驗(yàn)?zāi)M誤差都比較小。M3相比于M1而言，進(jìn)一步增加了計(jì)算時(shí)間，但并未帶來精確性上的顯著提升。以上的計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了本研究所述有限元計(jì)算方法的網(wǎng)格無關(guān)性。出于計(jì)算時(shí)間和精確性兩方面的考慮，接下來工作中的所有仿真模型都將采用M1的網(wǎng)格劃分模式。

3 仿真結(jié)果分析

將計(jì)算結(jié)果繪入初始速度-剩余速度坐標(biāo)系內(nèi)，得到3種鋪層結(jié)構(gòu)玄武巖/鋼混雜層板的彈道極限速度分別為280 m/s、290 m/s、284 m/s（如圖3所示）?？梢钥闯?，在面對(duì)球形彈丸沖擊時(shí)，3/2鋪層結(jié)構(gòu)具有最高的彈道極限速度。這說明合理調(diào)整鋪層結(jié)構(gòu)可以起到提升抗沖擊性能的作用。

由圖3可知，3/2鋪層靶板在400 m/s以下的初始速度沖擊下均具有最低的剩余速度，是性能最優(yōu)的混雜層板。但在初始速度更高的情況下，2/1鋪層靶板在侵徹后剩余速度可能會(huì)更低，抗侵徹性能有超越3/2鋪層靶板的趨勢(shì)。同時(shí)，2/1鋪層靶板的問題在于，它的彈道極限速度在3種鋪層結(jié)構(gòu)靶板中是最低的。4/3鋪層靶板的彈道極限速度在2/1和3/2鋪層靶板之間，但是其在高初始速度的工況下表現(xiàn)較差。

3種鋪層靶板在破壞變形方面有很多共性特點(diǎn)。在球形彈丸的侵徹作用下，3種鋪層混雜層板的前面板上均發(fā)生了剪切斷裂現(xiàn)象，而后面板的破壞均以拉伸撕裂為主，產(chǎn)生了比前面板更大的破壞面積。

3種鋪層靶板的仿真結(jié)果和試驗(yàn)現(xiàn)象具有一致性，都發(fā)生了鋼層與纖維層大面積分層失效的現(xiàn)象。并且由于發(fā)生更多的分層失效現(xiàn)象，越復(fù)雜的鋪層結(jié)構(gòu)，背板的撓度也越大。分層失效的原因主要有兩方面，一是鋼層和纖維層之間波阻不匹配，應(yīng)力波在層間的傳播引起了分層失效；二是兩種材料的剛度不一致，在協(xié)同變形的過程中，層間會(huì)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，導(dǎo)致靶板發(fā)生層間分層失效。至于纖維層的失效形式，3種鋪層靶板之間存在著一定的差異。2/1鋪層靶板的纖維層幾乎全部發(fā)生剪切破壞。3/2和4/3鋪層靶板的第一層纖維也都是以剪切破壞為主要失效形式的，但后面幾層纖維則主要是發(fā)生了拉伸斷裂。以4/3鋪層靶板為例展示這種現(xiàn)象（如圖4所示）。

4 結(jié)語

本研究使用數(shù)值模擬的方式，對(duì)一種玄武巖/鋼混雜層板進(jìn)行分析。針對(duì)3種不同鋪層結(jié)構(gòu)的玄武巖/鋼混雜層板，開展了圓形彈丸正侵徹的多工況仿真計(jì)算，得出合理優(yōu)化鋪層結(jié)構(gòu)可以提高混雜層板的抗侵徹能力，在多數(shù)情況下3/2鋪層靶板都有著最好的防護(hù)性能。復(fù)雜的鋪層結(jié)構(gòu)能夠改善混雜層板的失效形式，使后面板附近的鋪層更傾向于呈現(xiàn)出拉伸斷裂破壞。這有利于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，提升防護(hù)效果。然而在初始速度過高等剪切效應(yīng)過強(qiáng)工況下，這種優(yōu)化效果會(huì)被減弱。

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