超高分子量聚乙烯无纬布准静态材料力学性能研究.pdf

　１４　超高分子量聚乙烯无纬布准静态材料力学性能研究　　２０１４年２月　　　　　　超高分子量聚乙烯无纬布准静态材料力学性能研究　　　　　温矗珂，徐诚，董雪花　　　　　　　（１．南京理工大学机械工程学院，南京２１００１４；２．南京理工大学理学院，南京２１００１４）　　摘要：超高分子量聚乙烯（ＵＨＭＷＰＥ）无纬布是制作软质防弹衣的主要材料。首先通过实验研究了ＵＨＭＷＰＥ无纬布在　　准静态载荷下的拉伸、面内剪切和冲压式剪切特性。实验表明，ＵＨＭＷＰＥ无纬布在准静态拉伸过程中发生突然的脆性断裂，　拉伸强度约为６４１ＭＰａ；面内剪切实验中试件的力一位移曲线呈现明显的非线性，材料在受力方向发生了塑性强化，试件的主要　　　　失效形式为基体的剪切破坏，失效后纤维夹角从９０。减小到７４。；设计制造了一套用于测量ＵＨＭＷＰＥ无纬布沿厚度方向剪切　　强度的夹具，实验得到该型无纬布的剪切强度约为１６８ＭＰａ。随后采用壳单元建立对应的有限元模型，对拉伸实验和冲压式剪　　　切实验过程进行数值模拟。拉伸数值结果在最大拉力、拉伸强度和失效应变等指标上与实验结果较一致，并给出了拉伸过程　中试件中的应力分布情况；冲压式剪切数值结果给出了剪切失效部位每层单元的应力变化情况。　　关键词：ＵＨＭＷＰＥ；拉伸；面内剪切；冲压式剪切；有限元　　　　　———　中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１４）０２００１４０５　超高分子量聚乙烯（ＵＨＭＷＰＥ）纤维具有密度　　　　　　小、比强度高、比模量大的特点，因此在防弹材料领　域被广泛采用。目前，ＵＨＭＰＥ纤维及其复合材料的　　　　　生产企业主要有荷兰ＤＳＭ公司（商品名Ｄｙｎｅｅｍａ）、　　　美国Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司（商品名Ｓｐｅｃｔｒａ）、中国宁波大　成新材料股份有限公司和湖南中泰特种装备有限责　　　　任公司。ＵＨＭＷＰＥ无纬布是制作软质防弹衣的主　要材料，它由ＵＨＭＷＰＥ纤维和专用树脂按照特定的　工艺制作而成。ＵＨＭＷＰＥ无纬布的材料特性不光　与纤维的性质有关，还与基体的选择及成型工艺有关，因此不同厂家的产品性能存在一定的差异¨　。ｊ。　　　　ＣｈｏｃｒｏｎＢｅｎｌｏｕｌｏ等采用静态拉伸实验和霍普金　　　　森拉杆实验，得到了ｄｙｎｅｅｍａＵＤ６６无纬布在应变率　　　　　１０ｅ一３／ｓ，１／ｓ及ｌＯ００／ｓ的应力应变曲线，并采用　Ａｕｔｏｄｙｎ－２ｄ有限元软件对实验过程进行了模拟；Ｋｏｈ　　　　　等５采用霍普金森拉杆实验测量了Ｓｐｅｃｔｒａｌ０００无　　　纬布在不同应变率下的应力应变响应；Ｃｏｏｋ＿２对　　　ＳｐｅｃｔｒａＳｈｉｅｌｄ３１２４无纬布的拉伸特性及成型工艺对　　　　　　　材料特性的影响进行了研究；Ｕｍｂｅｒｇｅｒｌ６通过自制　　　的模具对ＳｐｅｃｔｒａＳｈｉｅｌｄ１２１４复合材料沿厚度方向的　　剪切性能进行了测试，并采用有限元软件ＡＢＡＱＵＳ　　　对剪切过程进行了模拟；国内北京航空航天大学张　　　　　佐光、孙志杰。。，东华大学晏熊、庄兴民等卜］　　长期致力于ＵＨＭＷＰＥ纤维及其复合材料在防弹领　　　收稿日期：　　基金项目：　作者简介：　　通讯作者：　　域的相关研究。　　　　　本文以宁波大成新材料股份有限公司生产的　　ＤＣ１．２型ＵＨＭＷＰＥ无纬布为研究对象，通过实验测　　　量了该型无纬布在准静态载荷下的拉伸、面内剪切　　　和冲压式剪切特性，并对实验数据进行了深人分析。　—　随后采用有限元软件ＬＳＤＹＮＡ对拉伸实验和冲压　式剪切实验过程进行了模拟，数值结果与实验结果　吻合较好。本文的研究对采用数值方法研究侵彻体　　　　与防弹衣相互作用过程，改进防弹衣设计和揭示防　弹机理具有一定的参考意义。　　１准静态实验　　　１．１拉伸实验　　　　ＤＣ１－２型ＵＨＭＷＰＥ无纬布由四层ＵＨＭＷＰＥ纤　　维正交复合层压而成，名义厚度为０．２ｍｍ，面密度　　　　为１７０ｇ／ｍ，将该ＵＨＭＷＰＥ无纬布材料加工成哑铃　　　　　型试件，如图１（ａ）所示，在ＣＳＳ－４４１００型电子万能　　　　　材料实验机（长春试验机研究所生产）上进行拉伸　　　　实验。实验中采用标距为５０ｍｍ的引伸计测量试件　　　　的应变，加载速度为３０ｍｍ／ｍｉｎ，采样频率为１５０Ｈｚ。　实验过程中，随着拉力的增加试件在靠近中部　位置发生突然断裂，断口总体较平整，有少量纤维从　　其它部位断裂，如图１（ｂ）所示。实验结果获得了四　　　　组有效数据，如表１所示。其中，为平均值，标准　　　２０１３５＿２２　　　　国防９７３计划资助项目（６１３１０４０３０２）　　温矗珂（１９８６一），男，博士研究生，主要从事复合材料力学及非线性有限元技术研究。　　　徐诚（１９６２－），男，博士生导师，主要从事非线性有限元技术研究。　幽　ｌ８　　超高分子量聚乙烯无纬布准静态材料力学性能研究　２０１４年２月　　（３）设计制造了用于测量ＵＨＭＷＰＥ无纬布沿　　　　厚度方向剪切强度的专用夹具。实验中剪断６层无　　　　　纬布所需最大剪切力约为９４７７Ｎ，该型无纬布剪切　　强度约为１６８ＭＰａ；　　　　　（４）采用有限元软件ＬＳ．ＤＹＮＡ对拉伸实验和　冲压式剪切实验过程进行了数值模拟，数值结果与　　　　实验结果一致性较好。并给出了拉伸过程中试件中　的应力分布情况和冲压式剪切过程中剪切失效部位　　每层单元的应力变化情况。　参考文献　　　　　　　　　　［１］ＴｉｓｓｉｎｇｔｏｎＢ，ＰｏｌｌａｒｄＧ，ＷａｒｄＩＭ．Ａｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆｉｂｒｅ／　　　　　　　　　ｒｉｓｉｎａｄｈｅｓｉｏｎｏｎｔｈｅｍｅｈａｎｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆｕｌｔｒａ・－ｈｉｇｈ・－ｍｏｄｕｌｕｓｐｏ－－　　　　　　ｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｆｉｂｒｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓｓｃｉｅｎｃｅ，１９９１，　２６（１）：８２－９２．　　　　　　　　［２］ＣｏｏｋＦＰ．ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＵＨＭＷＰＥＬａｍｉｎａｔｅｓｆｏｒＨｉｇｈＳｔｒａｉｎ　　　ＲａｔｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｄ］．Ｂｌａｃｋｓｂｕｒｇ：Ｖｉ哂ｎｉａＴｅｃｈ，２００９．　　［３］王耀先，程树军．高性能有机纤维增强复合材料的界面粘接性　　　　能研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１２，（１）：２５－２９．　　　　　　　—　１－４３ＣｈｏｃｒｏｎＢｅｎｌｏｕｌｏＩＳ，ＲｏｄｒｉｇｕｅｚＪ，ＭａｒｔｉｎｅｚＭＡ，ＧａｌｖｅｚＶＳ．Ｄｙｎａｍ　　　　　　　　—　ｉｃｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔｉｎｇｏｆａｒａｍｉｄａｎｄｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｉｎ　　　　　ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｍａｌｏｆＩｍｐａｃｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９７，１９（２）：１３５－１４６．　　　　　　　［５］ＫｏｈＣＰ，ＳｈｉｍＶＰｗ，ＴａｎＶＢＣ．ＤｙｎａｍｉｃｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆＵＨＭＷＰＥ　　　　　　　　ｙａｒｎｓａｎｄａｄｄｒｅｓｓｉｎｇｉｍｐｅｄａｎｃｅｍｉｓｍａｔｃｈｅｆｆｅｃｔｓｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎ　　　　　ｃｌａｍｐｓ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｍｐａｃｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０，３７　（３）：３２４－３３２．　　　　　　　［６］ＵｍｂｅｒｇｅｒＰＤ．ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄＲｅｓｐｏｎｓｅｏｆＴｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃＣｏｍ－　　　　ｐｏｓｉｔｅｓａｎｄＣｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔｓ［Ｄ］．Ｂｌａｃｋｓｂｕｒｇ：ＶｉｒｇｉｎｉａＴｅｃｈ，２００９．　［７］武海生，孙志杰，贾晶晶等．高性能有机纤维单丝复合体系界面　粘接性能实验研究［Ｊ］．复合材料学报，２０１０，２７（４）：５９－６３．　【８］孙志杰，张佐光，沈建明，仲伟虹．ＵＤ７５防弹板工艺参数与弹道　　　　性能的初步研究［Ｊ］．复合材料学报，２００１，１８（２）：４６４９．　　　　　　　　［９］贺成红，张佐光，李玉彬，孙志杰．复合材料的冲击吸能与动态　　　　粘弹特性［Ｊ］．北京航空航天大学学报，２００７，３３（７）：８５１－８５５．　　　　　　　［１Ｏ］杨中甲，张佐光，孙志杰，李敏．高强织物防穿刺作用特征与机　　　制分析［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１０，（１）：４０－４５．　［１１］庄兴民，张慧萍，晏雄．ＵＨＭＷＰＥ／ＰＥ复合材料的开发与性能　研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００４，（Ｉ）：１４一ｌ７．　　　　　　　　　　［１２］张慧萍，庄兴民，晏雄，高小玲．聚乙烯自增强复合材料的制备　　　—　及力学性能．高分子材料科学与工程，２００４，２０（１）：１２１１２４．　［１３］庄兴民，晏雄．ｕＨＭｗＰＥ／ＨＤＰＥ层合板拉伸损伤扩展的有限元—　数值模拟［Ｊ］．复合材料学报，２００５，２２（５）：１４１１４６．　　　　　　　　　　　［１４］ＤａｖｉｓＤ．ＦｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆＢａｌｌｉｓｔｉｃｉｍｐａｃｔｏｎａｇｌａｓｓｆｉｂｅｒ　　　　　　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅａｒｍｏｒ￣Ｄ］．ＳａｎＬｕｉｓＯｂｉｓｐ：Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃｓｔａｔｅ　ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１２．［１５］Ｓｃｈｗｅｉｚｅｒｈｏ　　　　　ｆＫ，ＷｅｉｍａｒＫ，ＭＵｎｚＴｈ，ＲｏｔｔｎｅｒＴｈ．Ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉ・　　　　　　　　　ｎｅｓｓＡｎａｌｙｓｉｓｗｉｔｈＥｎｈａｎｃｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌＭｏｄｅｌｓｉｎＬＳ・－ＤＹ－－　　　—　　　ＮＡＭｅｒｉｔｓａｎｄＬｉｍｉｔｓ［Ｃ］．ＬＳＤＹＮＡＷｏｒｌｄＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｄｅｔｒｏｉｔ：　ＬＳＴＣ，１９９８．　　　　　　　［１６］ＭｅｎｎａＣ，ＡｓｐｒｏｎｅＤ，ＣａｐｒｉｎｏＧ，ｅｔａ１．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ　　　　　　　ｉｍｐａｃｔｔｅｓｔｓｏｎＧＦＲＰｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓ『Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒ－　　　　ｎａｌｏｆＩｍｐａｃｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１１，３８（８）：６７７－６８５．—　　　　　　【１７］ＬｓＤＹＮＡＫＥＹＷＯＲＤＵＳＥＲＳＭＡＮＵＡＬＶＯＬＵＭＥＩＩ：Ｍａｔｅｒｉａｌ　　　　—　ｍｏｄｅｌｓ．Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ，ＣａｌｉｆｏｍｉａＣＡ，ＵＳＡ：Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅｓｏｆｔｗａｒｅｔｅｃｈ　　　ｎｏｌｏｇｙｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｍａｒｃｈ２０１３．　　’　　　　　　　’　　’　　ＡＳＩＵＤＹｏＦＴＨＥＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＰＲＯＰＥＩｌＥＳｏＣＲ０ＳＳ－ＰＬＩＥＤＵＮＩＤＩＲＥＣＴＩＯＮＡＬ　　　　　ＵＨＭＷＰＥＳＨＥＥＴＳＵＮＤＥＲＱＵＡＳＩ－ＳＴＡＴＩＣＬＯＡＤＩＮＧ　　—　　ＷＥＮＹａｏｋｅ，ＸＵＣｈｅｎｇｈ，　　ＤＯＮＧＸｕｅ．ｈｕａ　　　　　　　　　　（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１４，Ｃｈｉｎａ；　　　　　　　　　２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１４，Ｃｈｉｎａ）—　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＣｒｏｓｓｐｌｉｅｄｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＵｌｔｒａ－ｈｉｇｈｍｏｌｅｃｕｌａｒｗｅｉｇｈｔｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ（ＵＨＭＷＰＥ）ｓｈｅｅｔｓｉｓｔｈｅｍａｉｎ　　　　　　　　　　　　　　　　ｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｓｏｆｔｂｏｄｙａｒｍｏｒ．Ａｔｆｉｒｓｔ，ｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｂｅｈａｖｉｏｒ，ｉｎ－ｐｌａｎｅｓｈｅａｒｂｅｈａｖｉｏｒａｎｄｐｕｎｃｈ－　　　　　　　　　　　　　　—　ｓｈｅａｒｂｅｈａｖｉｏｒｏｆＵＨＭＷＰＥｓｈｅｅｔｓｕｎｄｅｒｑｕａｓｉ－ｓｔａｔｉｃｌｏａｄｉｎｇｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｕｓｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉ　　　　　　　　　—　　　　　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