UHMWPE复合材料弹道冲击下有效背凸变形空间（EBBDS）的变形机制与关键决定因素

《Materials Today Communications》：Deformation mechanisms and key determinants of the effective back-bulge deformation space in UHMWPE composites under ballistic impact

　　

有效背凸变形空间（EBBDS）是评价超高分子量聚乙烯（UHMWPE）复合材料弹道性能的关键参数。研究人员采用实验与数值方法系统考察了冲击速度、层合板厚度及面内尺寸对UHMWPE复合材料中EBBDS的影响。结果表明，UHMWPE复合材料的背面对向变形（BFD）包含三个不同阶段：直接侵彻变形、惯性变形与回弹变形。其中，直接侵彻变形阶段吸收大部分弹道能量，并主要决定EBBDS。EBBDS主要由相对速度（即冲击速度与弹道极限速度Vbl之差）决定，而非绝对冲击速度。在特定相对速度条件（如Vbl+110 m/s）下，层合板厚度显著改变变形行为但对EBBDS影响有限，不同厚度试样EBBDS均约20 mm。此外，层合板面内尺寸通过调节背侧横向变形与背凸变形的协同相互作用直接影响EBBDS；足够大的面内尺寸可显著抑制背侧横向变形传播并约束背面纤维拉伸变形，从而降低背凸变形。该研究为装甲设计中变形控制优化提供了新见解。

研究背景与立项依据

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）复合材料因比强度高、密度低及耗能能力强，广泛用于单兵防护与直升机、坦克、舰船装甲。弹道冲击下其通过背面纤维大幅拉伸变形耗能，引发显著背凸变形（back-bulge deformation），但过大背面对向变形（BFD）牺牲空间效率并导致钝伤。现有文献多将BFD视为永久变形，忽略直接侵彻后的惯性与回弹阶段；虽有研究记录BFD时程，但未量化惯性变形与回弹变形贡献，亦未解释瞬态与终态变形差异。关于冲击速度、层合板厚度、面内尺寸的影响结论不一，且多以绝对速度讨论，缺乏以相对速度（V₀?V_bl）为基准的系统分析。该研究旨在拆穿BFD三阶段贡献、厘清EBBDS概念，并揭示纤维拉伸/剪切失效、背侧横向变形与背凸变形间的协同机制，为先进装甲抗弹与变形空间分配提供理论支撑。论文发表于《Materials Today Communications》。

主要关键技术方法

研究人员以WT-120 UHMWPE单向层合板（250 mm×250 mm面内、20–100 mm厚）为对象，采用Φ15 mm×40 mm、质量55±1 g的40CrMnSiB钢制平头模拟破片（FSP）进行弹道实验，边缘钢框约束留230 mm×230 mm自由变形区，2024Al背板验证残余速度；冲击速度由光幕靶控于±15 m/s，Phantom V140高速相机记录BFD演化。数值端采用ANSYS/LS-DYNA拉格朗日法建四分之一对称模型，MAT_ADD_EROSION（有效塑性应变阈值1.5）控单元删除，CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_TIEBREAK模拟分层（NFLS=40 MPa、SFLS=70 MPa），弹体附近0.5 mm加密、其余1.0 mm、厚向0.5 mm，边界近简支；每工况3次复算。实验样本来自北京威亚泰克工程科技有限公司制备板材与中国兵器工业集团第五三研究所靶试，五重复实验校验。

研究结果

3.1 数值模拟可靠性验证

以600 m/s冲击对比实验与模拟：实验残速400 m/s、模拟379 m/s（误差5.25%）；实验背侧横向变形180 mm、背凸50 mm，模拟170 mm、43 mm。穿透轨迹实验偏转86.7°、模拟设90°，模拟截断200 μs致BFD偏小，但残速与变形特征吻合，材料参数与模型获验。

3.2 侵彻过程分析

高速成像显示600 m/s下约67 μs背面微凸，200 μs完全穿透，随后惯性增形至800 μs达峰（背侧横向190 mm、背凸53 mm），回弹后终值180 mm与50 mm。BFD由直接侵彻（穿孔时背凸44 mm）、惯性（增至53 mm）、回弹（减至50 mm）三分量构成。按能耗剖分五段：oa压缩剪切（耗能23%、背凸0.5 mm）、ab拉剪起始（19%、6.6 mm）、bc大幅拉伸（53%、12.4 mm，至80 μs背凸19.5 mm时累计耗能95%）、cd临近穿透（5%、9.0 mm）、de惯性延续（0%、14.5 mm）。直接侵彻段占背凸66%、惯性段34%、回弹减5.7%，而惯性/回弹段几乎不再耗能。研究人员以动能变化率跌至峰值8%以下、能耗率趋零定义95%能耗点为EBBDS操作阈值，对应背凸19.5 mm，使允许变形空间与耗能效率直接挂钩。

3.3 EBBDS影响因素

3.3.1 冲击速度

20 mm厚板373–1200 m/s实验与模拟残速误差<7.1%。用V_r=a(V₀^p?V_bl^p)^1/p估V_bl，EBBDS随相对速度V₀?V_bl增大而增；绝对速度低于或高于V_bl特定区时纤维剪切层增厚挤占拉伸层，背凸反降。EBBDS主控量为相对速度而非绝对速度。

3.3.2 层合板厚度

在V_bl+110 m/s相对速度下，20–100 mm厚板变形行为异但EBBDS均约20 mm，证明该相对速度区内厚度对EBBDS影响有限。

3.3.3 面内尺寸

小板背侧横向变形先抵边界，与背凸强耦合放大背凸；大板背侧横向变形传播受抑、边缘拉入效应弱、多向纤维协同缓解应变集中，背凸减小。面内尺寸通过背侧横向-背凸协同机制调节EBBDS。

讨论与结论翻译

讨论指出，既有研究混淆瞬态BFD与终态永久变形，忽视惯性/回弹分段贡献；该研究以95%弹道能耗终止点锁定EBBDS，使设计者能以“有效变形空间”匹配UHMWPE拉伸耗能峰值。相对速度基准修正了厚度效应认知：特定相对速度下加厚不改EBBDS却改变形模态。面内尺寸效应源于背侧横向变形与背凸的竞争，大尺寸近简支边界使边界约束对背凸影响微弱。结论如下：UHMWPE复合材料BFD分直接侵彻、惯性、回弹三阶段，EBBDS由直接侵彻段决定并主导于相对速度V₀?V_bl；特定相对速度下层合板厚度对EBBDS影响有限（≈20 mm）；面内尺寸经背侧横向变形与背凸协同作用调节EBBDS，大尺寸抑制背凸；该研究为装甲变形控制与空间分配提供新见解。