防弹层压复合材料防弹效果的理论分析

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1、纺织学报第卷第期=##>防弹层压复合材料防弹效果的理论分析熊杰顾伯洪王善元浙江工程学院杭州东华大学摘要从能量吸收的角度分析纤维的能量吸收与波传播和纤维与树脂复合效应可以采用树脂仅存在于平面织物之间即不渗入到纱线之间以及纤维之间的孔隙的复合方式而纤维体积分数应大于左右∀关键词军需用纺织品层压复合材料防弹效果理论分析中图法分类号×≥1文献标识码复合材料具有的轻质和高性能使其在弹道防护领域的应用日益拓展∀然而迄今为止防弹复合材料的研制和开发几乎是以经验为依据的研究者们设计大量的实验要素的组合然后进行实验

2、测试和比较来获得所需要的防弹复合材料这种方法不但费时!费力!增加研制成本实际上也很难获得真正优化的设计制作方案∀当然一种新的防弹材料的研制成功最后必须付诸于实际的测试但任何一种对复合材料结构设计能够提供指导的方法始终是研图1受横向冲击的纤维中波的传播≈≈究者们努力探求的∀本文在≥≈≈ƒ和≥等人的研究基础上对防向相反方向传播其速度为Χ∀同时还产生一种横弹层压复合材料靶板的结构设计进行了理论分析向波它的形状呈倒∂字形基脚在Π点以速度目的在于在防弹层压复合材料靶板研制过程中缩小Υ

3、向两侧传播∀在τ时Φ点以外的纤维质点尚未实验探索的范围提高研制的针对性和效率∀受到冲击∀对于轴向波传播相对未变形的质点而言应变1纤维材料的能量吸收与波传播波速度Χ为层压复合材料的防弹效果与该材料在高应变率δΡΕφΧΧΕ∗下的性能有关主要取决于在高应变ΘδΕΘ率下该材料的能量吸收能力∀在高应变率下层压复式中Θ是纤维密度δΡΠδΕ为纤维应力应变曲合材料的能量吸收能力与组成该复合材料的纤维的线的斜率即为轴向杨氏模量ΕφΕΕ是应变的断裂应变能密度和在能量吸收过程中参与能量吸收函数∀的纤维材料数量密切相关∀纤维材料的断

4、裂应变能对于横向波传播材料的流动速度为Ω即当密度由该纤维应力应变曲线下的面积决定而参与轴向应变波通过后°ƒ中质点开始朝反方向收缩能量吸收过程的纤维材料数量则由从冲击点发散的的速度由下式给出冲击波的传播速度决定∀为了便于分析假设纤ΕΕΩΧΕδΕΕφΠΘδΕ维在变形时横截面保持平面沿截面只有均匀的轴ΘΘ向应力∀与应变率无关即应力只是应变的单值式中Ε为纤维的最大拉伸应变∀在横向波前函数∀缘质点的水平运动停止并突然以冲击速度ς向≈根据≥对纤维或纱线受横向弹体冲击的上横向运动这种横向波向两侧移动的速度相对≈

5、分析结合ƒ等人对织物受弹道冲击时应变于未变形的质点而言为Υ波反射的研究忽略应变波沿纤维轴向传播时所遇ΥΡΠ≈ΘΕ∀到交织点的反射∀图显示了受横向冲击的纤维中波的传播∀教育部科学技术研究重点项目地方浙江省教育厅资助项目弹体的速度为ς冲击引起两个应变的轴向波=>##纺织学报第卷第期式中Ρ为纤维中的最大拉伸应力∀因此相对向的波传播速度ΧΛ由下式给出观察者而言横向波前进速度Υ应为ΧΛΕΛΠΘχΥΕΥΩ式中ΕΛ是纤维束经树脂浸渍形成的复合材料

6、从图有ςτ°Υτ°ΕΥτ所具有的轴向等效模量Θχ是复合材料的等效密因此得度∀≈ςΕΥ≈ΕΥΩ根据/混合定律0复合材料的弹性模量和密方程∗四个方程确立了四对关系含变度取决于纤维和基质的模量以及复合材料纤维和基量ς!Ω!Ε!Ρ!Υ!Υ其中Ρ与Ε由纤维材料动质的相对比例即体积分数∀态应力应变关系确定已知冲击速度ς时其余四ΕΛΕφςφΕµςµΕφΕµςφΕµ个独立变量Ω!Ε!Υ!Υ总是可以求得∀ΘχΘφςφΘµςµΘφΘµςφΘµ

7、假如纤维材料具有线弹性可求得式中ςφςµ分别是纤维和基质的体积分数ΥΧ≈ΕΕΕΕφΕµ分别是纤维和基质的弹性模量ΘφΘµ分别是纤维和基质的密度∀因此沿纤维轴向的波传播由和可以看出轴向波和横向波的传播速度都与Χ有关即与纤维材料的模量有关纤维材速度为料模量越大即Χ越大则在一定时间内参与能量吸ΧΛ≈ΕφΕµςφΕµΠ≈ΘφΘµςφΘµ收的材料数量就越多∀对于图β所示单元根据文献≈可得复合2复合效应材料横向等效模