《Results in Engineering》：Effect of volume fraction with high fiber and high resin composite targets on ballistic impact of rigid and deformable projectiles
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本研究采用有限元法（FEM）模拟了7N31穿甲弹芯对凯夫拉纤维增强聚合物（KFRP）/环氧树脂层合靶板的弹道冲击响应。在固定总体厚度12mm的条件下，研究了3种体积分数（10%、20%、30%）与3种层数配置（3层、5层、7层）的组合效应，分别对应高纤维和高树
本研究采用有限元法（FEM）模拟了7N31穿甲弹芯对凯夫拉纤维增强聚合物（KFRP）/环氧树脂层合靶板的弹道冲击响应。在固定总体厚度12mm的条件下，研究了3种体积分数（10%、20%、30%）与3种层数配置（3层、5层、7层）的组合效应，分别对应高纤维和高树脂两种材料主导构型。通过对比刚性弹体（Arne钢）与可变形弹体（Cu-Steel）的侵彻行为，分析了速度衰减、能量吸收、穿孔形态及结构损伤演变规律。结果表明，层厚分布与材料体积分数的协同作用显著影响弹道极限与失效模式，高纤维构型在抑制穿孔方面表现更优，而高树脂构型则增强了能量耗散能力。研究为优化多层复合装甲的层厚配比提供了数值依据。
高纤维与高树脂体积分数复合材料靶板对弹道冲击响应的数值研究解读
一、研究背景与科学问题
个人防护装甲的核心目标是抵御特定弹道威胁，阻止弹体穿透并与人体接触。软体防弹衣主要采用高强度合成纤维如凯夫拉（Kevlar）、特瓦龙（Twaron）、斯佩克特拉（Spectra）等制成，其优势在于柔韧性与高覆盖率。然而，面对日益增强的穿甲弹药威胁，尤其是7N31穿甲弹（AP）——一种专为手枪和冲锋枪设计的硬芯穿甲弹，传统均质材料的防护效能面临挑战。7N31弹丸初速约600 m/s，其钢芯具备极强的穿透能力。
尽管已有大量研究探讨了弹头形状、靶板材料、铺层方式等因素对弹道性能的影响，但在层合装甲系统中各单层厚度的合理分配以及最优总层厚的计算方法仍存在显著的研究空白。现有工作多基于固定层数或经验性厚度选择，缺乏系统性地考察材料体积分数、层数变化及层厚分布对弹道响应的定量影响。因此，本研究旨在通过数值模拟手段，在保持靶板总厚度12 mm不变的条件下，系统分析不同体积分数（10%、20%、30%）与不同层数（3、5、7层）组合下，高纤维与高树脂两种构型的弹道性能差异，为多层复合装甲的优化设计提供理论依据和初始设计参数。
二、研究方法与技术路线
研究人员采用有限元法（FEM）建立三维数值模型，遵循几何建模—材料模型定义—网格划分—边界条件设定—验证与收敛性分析的标准化流程。弹体采用7N31子弹的钢芯几何外形，直径5 mm、长度14.6 mm，截锥鼻部带半球形底部。刚性弹体选用Arne钢，可变形弹体选用Cu-Steel材料。靶板由凯夫拉纤维层（KFRP）与环氧树脂（Epoxy）交替铺设构成，总体厚度固定为12 mm。层厚根据公式：每层厚度 = （总靶板厚度 × 树脂或纤维体积百分比）/ 总层数计算得到。共涉及18种组合工况（2种材料主导构型 × 3种体积分数 × 3种层数）。模拟采用显式动力学求解器，重点关注速度变化、动能耗散、质量损失及穿孔状态等关键指标。
三、研究结果
3.1 速度与动能分析
研究发现，高纤维构型在各层数和体积分数下均表现出更强的减速效果，残余速度更低；而高树脂构型虽初始阶段变形较大，但整体动能吸收率更高。随着层数增加，速度衰减曲线趋于平缓，表明多层结构有助于分散冲击载荷。
3.2 能量吸收特性
能量吸收随体积分数增大而增加，但增幅受层数影响显著。在7层、30%体积分数条件下，高树脂构型展现出最高的比吸能值，表明树脂层的延展性有利于通过塑性变形耗散更多能量。高纤维构型则在低层数时即能达到较高能量吸收效率，归因于纤维的高强度与高模量特性。
3.3 穿孔与损伤形态
刚性弹体主要引发剪切塞通型穿孔，靶板背面产生局部隆起；可变形弹体则导致弹体自身发生墩粗变形，靶板呈现延性扩孔与分层破坏特征。高纤维靶板有效限制了弹体的穿透深度，而高树脂靶板在弹体冲击区周围产生了更大范围的分层与基体开裂。
3.4 层数与体积分数的交互效应
3层配置时，体积分数变化对弹道极限影响最为敏感；5层与7层配置下，体积分数的影响逐渐减弱，层间界面的应力传递机制成为主导因素。整体而言，高纤维构型在抑制穿孔方面更具优势，而高树脂构型在能量耗散方面表现更佳。
四、讨论与结论
研究人员指出，层厚分布与材料体积分数的合理匹配是实现高效弹道防护的关键。高纤维构型适用于需要快速止弹的场景，而高树脂构型更适合需要大幅吸收冲击能量的应用。本研究的数值结果为后续实验验证提供了明确的参数指引，特别是针对不同层厚序列与材料排列顺序的设计方案。研究结论强调，在固定总体积下，通过调整各组分比例与层数，可以显著改变靶板的失效模式与能量吸收路径，从而为轻量化、高性能复合装甲的开发奠定理论基础。未来工作应结合实际制造工艺，对所提出的优化构型进行实验验证，以进一步确认数值模型的预测精度与工程适用性。
