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一个有趣和不直观的结果是,织物间隙之间存在的交织纱线无法降低织物的动能吸收目标,弹丸在弹道冲击穿孔。
原来这个想法纸是多层织物目标的实际结构的考虑和纱线的本构方程,在高应变率,在有限元模型。
在这一领域的其他文章相比,有限元模型,本文提出可以模拟弹丸和多层织物靶之间的相互作用更正是在面料的目标变形,动能吸收,滤波分布。
这种模式也可以被扩展到其他织物结构和材料在弹道的影响。
关键词:
有限元,面料的目标,弹道穿孔,应变速率。
简介
射弹的动能由织物主要吸收机制目标是织物结构的变形(卷曲纱,织物结构),故障,纤维和纱线的变形。
的高吸收能力可以通过制造织物可以得到在织物为弹丸的动能具有高模量,高断裂应力和高失效应变的纤维或通过增加织物结构的冲击时变形。
多层织物经常被用来通过增加破损纤维的根数增加的防弹能力及纱和织物的变形区。
在优化设计的防弹织物的目标,各种型号已经建立解释的许多因素,如影响纱线的弹性模量,纱线的拉伸强度,纱线破坏应变,纱的线密度,织物建筑,织物目标等的面积密度,在织物上的目标变形,损坏,吸收弹丸的动能,和弹道极限的。
水蛭等。
[1],赫尔等。
[2],Roylance等。
[3,4],希姆等人。
[5],Lim等。
[6],和Tan等人。
[7]提出模型来分析下弹道冲击单层结构的目标。
文森和Zukas[8],泰勒和文森[9],帕尔加蓝达和Hernadez,奥利瓦雷斯[10],洛莫夫[11]Chocron-Benloulo等。
[12],纳瓦罗[13],比永和Robinson[14],和Lim等。
[15]分析了弹丸穿透多层织物的目标。
这些模型拿模型的织物作为净[1,2],作为正交各向异性壳[3-9,14],或作为一组的重叠垂直纱线[10-13,15]不考虑该织物的内部结构。
这些模型可以被归类为分析模型[8-10,12-16]和数值造型[1-7,11,14]。
数值模拟,如有限元模型或有限根据变分原理差分模型,常被用来模拟相互作用弹丸和织物靶,渗透的过程中,以及间变形和织物目标的损害。
有限元方法是一种有效的方式计算弹丸和织物目标之间的冲击现象,并且具有被广泛应用在渗透的机制。
Lim等。
[6]用于商业有限元素代码网连续假设下的织物膜元件面料。
因为织物的结构(包括织物结构,纱线卷曲和的横截面,织物密度)不被认为是,织物的下弹道变形影响是圆锥形,实际上它应该是锥体。
此外,由于变形织物结构(纱卷曲,经纱和纬纱之间的摩擦),其变形与纱线的损伤不能正确进行模拟。
到现在为止,很少有论文根据弹道冲击涉及织物目标的仿真用有限元方法还啮合所述织物靶在纱线结构的层次结构。
在本文中,刚性弹入织物目标的弹道穿透模拟与有限元法织物的实际结构的基础上。
的变形和织物靶的破坏和在渗透过程中的动能的变化和它们与实验数据相比较,给出。
应变率的影响,弹丸的冲击位置到织物结构,该织物靶的直径上的动能吸收,进行了讨论。
描述织物目标和子弹
子弹与目标系统如图1的7.62毫米直径的锥形圆柱形钢弹和7.95克在大规模使用的弹道测试。
该弹是在中国,编号为中国的军用标准型56。
桶火药沿着弹道推进弹丸。
该弹的打击速度是通过调整火药的重量控制。
它是从实验中观察到的,弹丸的变形可以忽略不计。
弹丸的变形能也可以在模型中被忽略。
圆形目标板的不同层织物被60毫米内径两个钢圈之间夹紧。
残留速度分别用两个激光二极管对测量。
子弹
在图1所示的钢弹中,使用在弹道冲击试验。
参数在图1中列出了表1中。
弹丸被假定为刚体,有限元素分析由于弹道冲击后发现弹丸是不变形的。
织物目标
织物靶由平纹织造织物若干层构成的。
这种织物与特瓦伦芳纶长丝交织在一起(类型:
特瓦伦CT1000,3360dtex/2000F,由AkzoNobel制造)。
特瓦伦,是一种聚芳酰胺纤维(聚对苯terepthalamide,PPTA)类似于芳纶,杜邦。
无论在经向和纬向织物密度都为66根/10厘米。
面密度面料是0.4824公斤/平方米。
拉伸强度是3070和3138牛顿/厘米在经纱和纬纱方向,分别。
四种织物目标有5,10,15和20层,被用于这个实验。
表1.弹丸轮廓参数。
R(mm)40h1(mm)0.25
_(mm)0hg(mm)16.60_0.30
R(mm)1.5lw(mm)3.7t0.6
r1(mm)0.35Lt(mm)26.8_0.52
dr(mm)1.45_0.30_w(_)9
dh(mm)7.87_0.05H(mm)11.99
dg(mm)7.82_0.15lg(mm)Obliquity:
5
dZ(mm)7.92_0.05
图2.特瓦伦横截面平纹织造织物
经纬纱线织物的压接配置图2是织物拍到与Quester3-D视频显微镜的横截面。
图2中的刻度是1毫米。
纱线垂直于纸的纬纱而平行于纸张被经纱。
点处的轴线的坐标的经纱在每0.1毫米跨度进行采样,并绘制在图3中的等式
(1)是这些点的拟合方程。
y=0.017sin[π(x-0.744)/0.151]
(1)
由于经纱和纬纱的纤度相同,织物密度是在两个相同的经纱和纬纱方向,纬纱的轴线也可以与描述等式相同
(1)。
纱线参数从等式
(1)可知,波长卷曲波0.302厘米,幅度是0.017厘米。
纬纱的横截面的宽度为0.151厘米,高度为0.017厘米。
在图3中的经纱之一波长两根纬纱。
与生成的所述经纱或者波长在纬纱的配置LS-DYNA的预处理如图4所示。
织物结构
图5是交织,图4所示的是纱线的织物结构体。
锥形圆柱钢弹丸的弹道渗透
图4.纱线几何模型的一个波长。
弹道冲击有限元建模弹和织物目标之间
市售有限元程序LS-DYNA是用来模拟弹道穿孔锥形圆柱钢弹成多层织物目标。
网格计划
织物中的射弹和纱线都啮合一个八节点六面体元素(在LS-DYNA实体164)。
所需的计算的时间来完成的模拟是取决于网格密度,为一个八节点固体元件,临界时间步长,_te,是[17]:
_△te=Le[Q+(Q²
+C²
)][2]
_
图5.特瓦伦平纹织造织物和几何模型。
其中Q是体积粘度系数的函数,C0和C1
Le为特征长度,和Le¼
已经=Ae的最大值;
已经在元件体积,Ae的最大值是最大的一面,和c的面积的元件材料的绝热声速。
对于具有m个元素,时间步的材料在下一计算步骤是:
和比例因子在等式(4)为0.9或对于稳定性较小的值。
从等式
(2)中,它表明,以完成计算所需要的时间较长当元件密度较高,而计算出的结果更接近实际的局面。
为计算机的限制,对于该问题的网格方案在本描述纸张示于图6中。
边界条件
图7是有限元模型的几何结构的组成弹丸和织物靶。
为了节省时间,只有四分之一的目的弹丸和织物靶在图6(a)的用在有限元计算。
人物图7(b(i))的-(E(i))的是四分之一弹丸和织物有限元的几何模型五层,10层,15层和20层的织物上。
图7(b(ⅱ))-(E(ⅱ))是(E(I))附近的落点-图7(b(i))的地方放大。
以下假设作出的有限元模型:
1.冲击点是圆形织物目标的中心;
2.目标的中心是经纱和纬纱交织的点;
3.织物是每个织物层之间彼此平行。
在图7(a)中,所述弹丸和织物目标是对称的在XY和YZ平面。
对于图织物靶7的(b)-(e)中,平移自由度垂直于该对称平面,并在对称平面中的旋转自由度,是约束和自由的值被设置为零。
的四分之一的织物靶周长是固定的。
对于弹丸,沿X轴的平移自由度和Z轴和沿Y轴的旋转自由度,被约束并设置为零。
(a)
(b)
(c)
图6.面料和弹网方案:
卷曲丝
(一)特瓦伦
(二)平纹面料;
(三)网的1/4弹。
弹丸和织物目标之间的联系
为了多层织物靶和弹丸,有弹丸和之间的接触每一层的织物,每个织物层之间的接触,并且经纱和之间的接触纬纱在织物。
一个对象的表面上会渗透到另一个表面在弹道的影响。
在'
表面到表面接触'
在计算确定。
该主表面上的弹丸所定义而从属表面上的织物限定目标。
从特瓦伦之间的摩擦考验纱线,动摩擦系数为0.01织物层之间,和经纱与纬纱一样。
本构方程和弹丸特瓦伦长丝
弹丸
钢弹被定义为刚性体和其下的弹道变形影响被忽略。
射弹的密度是7.81克=立方厘米,杨氏模量是200GPa,泊松比是0.292。
特瓦伦在织物的目标长丝
织物目标分解为经纱和纬纱中的有限元模型。
在这种结构的层次结构,机械性能和的本构方程纱线引入有限元模型。
的最可能的故障模式根据弹道冲击面料是拉伸破坏,纤维在绝热状态的剪切破坏。
由于纤维,纱,和织物的柔软性,拉伸的故障是主要失效形式在弹道的影响。
经纱和纬纱在织物组成细丝没有扭转;
纱线的拉伸构方程可以推断从纱线强度[18]的Weibull分布。
等式(5)是这种纱线的拉伸本构方程。
图7.多层的Twaron的几何模型平纹织造布的目标和炮弹。
(一)对称解剖圆形布料目标和弹丸。
1/4面料目标和抛射模型:
(B(i))五层;
(C(I))10层;
(D(i))15层和(e(i))20层。
(二)(E(II))相应的局部放大倍率锥形圆柱钢弹丸的弹道渗透。
(d)
(e)
图7.持续
其中E是杨氏模量的纤维,0I是尺度参数和MI是形状Weibull分布参数。
n个方程的值(5)依赖于种在纤维中缺陷引起长丝[19]的拉伸破坏。
对于PPTA纤维,如特瓦伦和凯夫拉尔,其显微组织的显着特点是在皮-芯型结构[20]。
存在于皮肤和芯结构中的缺陷引起的损害下的拉伸试验。
这两种缺陷是影响的主要因素强度丝捻无组成的纱线。
当然,其他的缺陷,如
该纤维的表面上扭结带,也可以影响纱线的强度。
但这是次要的因素。
对于上述的原因,这两个模态的威布尔分配用于获得本构方程。
然后公式(5)可以写成如下:
ω01和ω02,M1和M2的形状参数的比例参数可以是从上述丝条与Levenburg-的拉伸试验数据计算出来,是马夸特非线性最小二乘估计方法[21,22]。
根据弹道冲击是往往较大,由于这些材料的应变速率超过102/秒[23]中,机械的速度依赖性的充分理解要求所涉及材料的性质,如果与弹道冲击相关联的问题都被正确地分析。
Twaron纤维的拉伸性质长丝在准静态的0.01秒的应变速率ω1和在180,480的应变率,1000秒θ1与测试MTS810.23材料试验机和分离式霍普金森拉杆[16]。
图8示出了Twaron纤维的应力-应变曲线,不同应变率下的纤维束。
表2列出了E,λ最大值,和“最大的平均值”。
从取样与计算机的实验数据,特瓦伦以下构方程长丝以0.01180应变率,480,1000秒可以根据等式(6)来获得。
显微
图8.特瓦伦拉伸曲线长丝纱不同的应变速率。
表2.特瓦伦机械性能长丝不同的应变率。
锥形圆柱钢弹的弹道渗透
公式(10)是用于有限元的计算。
有限元仿真结果
弹丸残留速度
弹丸射孔不同的预测和实验残余速度织物目标在各个击速度的层列在表3中,也示出在图9.理论和之间剩余速度的最大相对误差实验值是6.4%。
从图9中,理论残余速度都低于实验的。
这样做的原因是,经纱和纬纱纱线被假定为连续的有限元模型,但实际上纱线是由2000年细丝,摩擦和滑动。
这些细丝之中存在。
这导致较少能量被吸收在织物靶,实验残留速度是比理论值高。
目前为止,这是非常困难模式的影响相互作用弹丸和织物目标的灯丝结构层次之间。
面料目标变形
五层织物目标是采取此处为例子来说明的变形根据弹道冲击织物的目标。
图10给出了布料变形目标在7.5ms.From图10的时间间隔,纱线(包括经纱和纬纱)之间的滑移和织物层之间的脱层冲击下发生。
图11中,侧面正视图10,示出了横向波传播和扩散的功能,多层织物的目标分层,隆起在靶的前端侧形成当弹丸穿透多层结构。
此外,演进从织物层的闭合状态和分层的传播脱层因特瓦伦的弹性恢复的分层减少状态,灯丝纱也可以被显示。
表3.弹丸穿孔前后的速度
布层
图中的实验和理论分析弹丸(FEM仿真)残留的速度。
强调轮廓与传播
图12(A)-(E)显示的应力传播和蔓延的全过程。
形状应力轮廓就像是一个十字形,并沿主应力波传播纱直接接触弹丸,即沿经线和纬线应力波传播纱线。
(一)压力是一个很小的范围内接近落点内;
在远端侧的凸出目标只是由横向应变波形成。
(二)纵波传播到的织物,在那里被反射的边缘;
在远端侧的凸出被放大为横波传播不断。
(三)纵波反映,从边缘织物。
(四)的主要纱线直接的第一层中接触弹面料坏透的时候是怎么回事;
在主要的纱线的应力减小同时,在相邻的纱线增加。
(五)-(F):
更多的纱线被打破;
穿孔孔被放大足以使弹丸从织物目标逃脱;
应力减小,并且主要集中在穿孔附近的圆周上。
(f)
图10.通过模拟弹丸(局部放大)穿孔的五层织物靶中的不同的时间间隔,T:
(一)7.5;
(二)22.5;
(三)37.5;
(四)60;
(五)75;
(六)90
图13是图12(d)和(F)的所述穿孔的孔附近的放大倍数。
在图13(a)中,该织物靶的变形是在一个“金字塔”四面体形状,其中,所述对角线的菱形底的长度是主要纱线的长度(包括经纱和纬纱)中的横浪区。
最后,“金字塔”四面体形状变形为圆锥形状弹丸完全穿孔后通过织物目标。
这种转变是由于施加在织物上的负荷减少穿孔后,立即为零。
这一转变符合Wilde等的结论[24]。
(g)
(h)
(i)
图11.侧面正视在不同时间间隔穿孔通过弹丸的五层织物的目标:
(1)0;
(二)14.4;
(三)28.8;
(四)43.2;
(五)57.6;
(F)72;
(G)86.4;
(八)100.8;
(i)120。
纵向应力波速度
图14(a)表示在5层织物的目标的纵向应力波。
该元件21743的图14中的坐标为(0,0,4.89838厘米)。
从图14(b)中,时间所需的应力波从撞击点到这个元素传播为10.8毫秒。
该纵向应力波的速度估计为4536.5米/秒。
根据Smith等人的理论。
当弹丸上的纱线撞击横向(其中,E是杨氏纱线在高应变率的模量,是纱线的体积密度)时纵向应力波速度c=√E/p,该经纱或纬纱中平纹织物纵波速度是c/√2,因为纱线的线密度沿着该波是传播被有效地在一倍平纹织造织物。
从斯密的理论纵波速度为4930米/秒。
图12.vonMises应力织物目标在不同的时间间隔,T:
(一)14.4;
(二)19.2;
(三)21.6;
(四)43.2;
(五)52.8;
和(f)100?
的。
(G)颜色标记(应力范围:
0-1.051GPa)。
这两个结果(相对误差:
8%)进行比较,可以发现,有一个很好的相同点在有限元计算和斯密的理论之间。
弹丸的穿孔加速
图15示出在穿孔弹丸的加速度。
最大绝对
随着织物层的数量值增加,并且几乎具有任意不等阶弹丸的撞击速度无关。
它也表示在图15的加速度不在穿孔的恒定和加速度的变化变低以更层布。
加速度的变化取决于作用在所述变体的力量弹丸。
这些因素,如应力的纱的变化,每个织物层的压力不同,纱线'
不同时断裂等,导致经线和纬纱应力变化。
图13.在变形织物附近冲击点的横向方向:
(1)T=62(b)T=100微秒。
图14.应力元素21743:
(1)vonMises应力在t=10.8s和(B)的压力随时间的变化
图15.加速弹丸在射孔织物靶的各种层。
图16.穿孔弹丸损耗的动能
弹丸穿孔丧失的动能
图16显示在穿孔弹丸的动能的损失。
曲线动能损失与时间几乎重合,独立罢工弹丸的速度。
它是在与实验结果由线普罗瑟[26,27]。
普罗瑟发现的动能吸收一定数量的尼龙层织物靶几乎相同为FSP(碎片模拟射弹)在不同的罢工速度。
对于特瓦伦织物本文所讨论的,该弹损失的动能是11.8,20.6,29.2,37.4Ĵ分别。
动能的损失增加了与织物层的数目的增加,但没有改变它们之间比例。
弹丸的穿孔速度
图17显示了弹丸的速度的曲线在射孔的各个层织物目标。
相互作用的弹丸和目标增加之间的周期当织物目标增加5至20,从而在时间的曲线的各层速度相应地去提高水平
。
穿孔的实验和理论分析比较面料目标
图18显示孔中通过高速打孔织物靶的比较弹丸。
形状和穿孔的尺寸,破碎经纱和纬纱的量纱线,在打滑的纱线都有很好的一致性,在实验和理论分析可以得出。
图17.射孔弹体的速度
(1)
(2)
图中,在实验和理论分析的织物靶的穿孔18比较:
(1)观察
(2)模拟
锥形圆柱钢弹的弹道渗透上述的有限元模型,基于所述织物的微观结构目标。
从有限元模拟,布料目标的全过程的结果变形,断丝,穿孔形成和应力状态的打孔面料,可以清楚地显示在直观图象上。
尤其是,弹丸的穿孔速度是非常困难和昂贵的连续测量,因此增强激光速系统(ELVS)采用[28]。
在穿孔的详细信息用在本文中的有限元模型正确获得,并且该模型也可以是扩展到不同的结构,不同的材料。
面料和弹丸有不同的形状和材料。
应变率,撞击位置,和直径对织物目标弹道穿孔的影响
PPTA纤维(芳纶和的Twaron)和影响力率相关性对弹道冲击应变率已经由Lim等进行讨论。
[6]和谷[16]最近,但不是在目前为止的详细方法。
没有发表的作品上发现的讨论上的冲击的位置的影响(即交叉点的经纱和纬纱或在弹丸通过吸收动能经纱和纬纱之间间隙)织物。
对弹道冲击金属靶直径的影响,可以发现在其他地方,但在织物上的目标的引用。
在下面对影响吸收动能的三个因素进行了讨论。
应变率效应
机械性能在表2和本构方程(方程(7)-(10))用在计算中。
图图19(a)显示在穿孔弹丸的速度以0.01,180,480的应变率,和1000每秒,分别下击速度341米/秒。
图19(b)是动能减量相对于时间的曲线。
残余弹丸的速度穿单层面料是338.4,338.3,338.2,和338.1米/秒,分别各应变率下。
虽然残留速度的差之间的准静态和高应变速率不从这些数据显著,这些仅仅是结果,从一个单层织物。
如果层的增加,如五个或更多的数目层,准静态和高应变率的结果之间的差异也增大。
从图19(b)所示,射弹的动能以0.01秒的应变速率的损失是每秒1.58J和11.78Ĵ,相对差为12.7%。
这相对差增大作为织物层增加。
由于这些原因,机械性能,在高应变率应在弹道冲击的分析被引入,特别是对于ratesensitive材料。
然而,应变率对弹道冲击的影响已忽略了许多作品。
撞击位置
还有的弹丸和织物之间的冲击位置两种可能:
一种是上的经纱和纬纱的交叉点,另一种是在交织经纱和纬纱之间空隙。
图20(a)是在有限元模拟弹丸穿过间隙和图射孔的图20(b)是多孔的交叉点。
图21(a)是弹丸和图21的速度曲线(b)是弹丸的动能的损失。
速度的降低和动能弹丸是与交叉点在早期接触的情况下更迅速周期(从0到30毫秒)的情况下,与所述间隙的减少量是相接触的,而在最后阶段(从30毫秒到穿孔的端部)高。
这种现象可能是解释如下:
当弹丸接触交织点,在断头时的开始时间,这将导致速度的快速下降;
当弹丸触点间隙,相邻的纱线从弹丸内表面滑30毫秒,然后它们在张力状态下,纤维的应变能在这些相邻纱线终于导致更多降低弹丸的速度和动能。
此不直观的结果还未见报道在其它参考文献,因为它不能被验证通过实验,它也示出了交织纱之间的织物孔不能吸收减少的动能。
图20.冲击位置模拟的有限元:
经纱和纬纱,
(一)间隙和穿孔
(二)相交点纱。
面料目标半径
图22(a)和(b)表示速度的曲线和弹丸的动能的损失射孔织物靶具有半径20,30,40,和60毫米。
为半径的织物靶增大,织物的应变能也增加,残余的弹丸速度降低。
讨论
时间为弹道穿透或弹丸的穿孔到织物目标通常是在100毫秒。
在实验中,高速的照片,并且近日,增强激光速度的系统(ELVS)[28]被用来获得变形的目标,并在弹穿孔速度。
当然,这是一个非常困难的实验并涉及昂贵的仪器。
此外,vonMises应力状态目标,应力波的传播,蔓延和影响位置的影响,很难在实验中得到。
从本文的有限元模型提出,这些中间结果可在计算时间的成本来获得。
正确性有事实证明,从织物中残留的速度和织物损坏的比较目标在理论和实验分析,并且还从该比较从FEM纵向应力波的速度和史密斯的经典理论。
的因素,如应变速度,冲击的位置,以及所述织物的目标尺寸,有在弹道穿孔影响(剩余速度和动能损失弹)。
PPTA纤维,如凯夫拉尔和特瓦伦从利率不敏感的材料实验数据[16]等著作[29]。
即便如此,它是在完全不同的准静态和高应变速率状态之间的计算结果。
对于利率敏感材料中经常使用的弹道保护,例如,超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)(迪尼玛由DSM和Spectra生产制造由Honeywell),准静态和高应变速率状态之间的区别是更显著[30]。
关于弹道渗透的应变速率在该范围内5×
10²
到15×
10²
每秒依赖于弹速[23].Strain率效应和纤维和纱线的速率依赖特性,必在该分析中考虑为了弹道的影响得到高精度的结果。
直观上,撞击位置之差,即交叉点或空隙,可以诱导显著差异的动能吸收。
但是从计算来说,它被证明,这两种位置差对动能吸收没有影响。
这一结论取决于弹丸的尺寸和织物的织密度的匹配。
如果弹丸的尺寸太小或织物过于稀疏在经纱和/或纬纱方向