基于超高分子量聚乙烯的不锈钢纤维金属层板抗弹道冲击综合研究：实验与数值模拟方法

《Defence Technology》：A comprehensive analysis of FML based on UHMWPE against ballistic impact: An Experimental and Numerical Approach

　　

轻型车辆的弹道防护传统上采用附加装甲面板实现，但这会显著增加结构系统的面密度，降低作战环境下的机动性与操纵性。为解决该问题，研究人员提出将防护功能集成到承载构件本身的解决方案，以实现结构完整性与抗冲击能力的统一。在此背景下，基于不锈钢的纤维金属层板（Fiber Metal Laminates，FML）成为一种潜在的候选方案，能够将承载能力与弹道防护结合在单一集成系统中，是评估轻量化结构防护概念的有前景的架构。本研究针对由AISI 304不锈钢作为金属相、UHMWPE复合材料作为增强相的FML开展了全面的实验与数值研究。研究分为两个阶段：首先，研究人员通过小口径弹丸弹道冲击试验独立研究各组成材料，表征其弹道响应及能量吸收机制诱导的损伤，并利用计算机断层扫描（Computed Tomography，CT）与三维扫描技术进行损伤评估，以此校准和验证各组成的专用数值模型；其次，研究人员将验证后的组成模型集成到多层FML构型中，对两种不同厚度的层板进行弹道冲击与损伤分析，利用实验结果验证所开发数值模型的预测能力。该研究提出的流程提供了一个经过验证的建模框架，能够预测不锈钢–UHMWPE FML在不同构型下的冲击行为，旨在为轻量化结构防护概念的初步评估及未来的车载应用提供支持。

研究背景与意义

轻型车辆的装甲防护长期依赖附加装甲面板，这种策略虽然提升了防护力，却显著增加了结构的面密度，导致车辆机动性、操纵性及能源效率下降，同时改变了载荷分布与重心位置，限制了其在敏捷性要求高的场景中的应用。因此，开发能将防护功能集成于承载构件本身的结构解决方案成为迫切需求。纤维金属层板（FML）作为一种结合金属与纤维增强复合材料的混杂结构，能够通过金属层的塑性变形与复合材料层的纤维断裂、分层等机制协同吸能，是实现结构-防护一体化的理想选择。尽管铝基FML在航空与船舶领域研究较多，但基于不锈钢的FML在需要更高抗穿透性与结构鲁棒性的防护应用中具有重要潜力。AISI 304奥氏体不锈钢因其高延展性、应变硬化能力及耐腐蚀性被选作金属相；超高分子量聚乙烯（UHMWPE）则因其低密度、高比强度及优异的冲击吸能性被选作增强相。然而，目前关于AISI 304与UHMWPE构成的混杂FML在弹道冲击下的行为研究尚属空白，缺乏对其失效机理及数值预测模型的深入理解。为此，由B. Valverde-Marcos、I. Rubio、J.A. Loya及M.H. Miguelez组成的研究团队在《Defence Technology》发表了本研究，旨在通过实验与数值相结合的方法，填补这一空白，为轻量化防护设计提供理论与数据支撑。

主要关键技术方法

研究人员制备了三种试样：3层AISI 304钢板叠层、22层UHMWPE整体层压板，以及两种不同厚度的不锈钢-UHMWPE纤维金属层板（UFML）。薄型（UFMLF）含10层UHMWPE，厚型（UFMLG）含20层UHMWPE，均采用热压工艺成型。弹道冲击试验使用7.62 mm口径弹道测试装置，发射直径7.5 mm、质量1.7 g的硬化钢球，速度范围覆盖100至800 m/s，利用高速相机记录过程。损伤表征采用非破坏性检测技术：通过GE V|Tome|X S240系统进行显微CT扫描，识别内部分层损伤；通过HP 3D Structured Light Scanner Pro-S3进行三维扫描，量化背部鼓包变形。数值模拟采用Abaqus/Explicit软件，分别建立了基于Johnson–Cook模型的AISI 304本构模型、基于连续损伤力学（CDM）与Hashin准则的UHMWPE正交各向异性损伤模型，并通过内聚界面（Cohesive Surface）模拟层间分层行为，最终构建了全尺寸FML数值模型并进行验证。

研究结果

4.1 钢板叠层结果

实验与模拟结果表明，3层AISI 304钢板叠层的弹道极限为302.8 m/s，模拟值为298.3 m/s，偏差仅1.49%。残余速度预测平均误差为6.29%。模型准确再现了冲塞（Plugging）、花瓣状开裂（Petaling）及鼓包（Bulging）等失效模式。在低于弹道极限的速度下，背部鼓包面积随速度增加而增大；超过极限后，因能量吸收转为局部破坏，鼓包面积减小。模拟在鼓包范围预测上与实验吻合良好，验证了金属本构模型的有效性。

4.2 UHMWPE层压板结果

22层UHMWPE板的实验弹道极限为518.5 m/s，模拟值为500.3 m/s，偏差3.6%，残余速度预测平均误差3.8%。CT分析显示，分层损伤主要呈方形分布于冲击点周围，最大损伤出现在弹道极限附近。数值模型虽在分层区域边界形态上与实验存在差异，但损伤面积预测误差控制在20%以内，且能准确捕捉纤维拉伸失效与速度相关的损伤演化规律，验证了复合材料模型的可靠性。

4.3 基于UHMWPE的FML结果

两种UFML构型均表现出优异的弹道性能。薄型UFMLF的面密度较纯钢叠层降低16.1%，而弹道极限仅降低1.2%；厚型UFMLG的面密度与纯钢叠层相当，弹道极限却提升了36.3%。这表明UHMWPE的引入显著优化了防护-质量比。损伤分析显示，FML的失效模式受速度调控：低速下以背部大面积鼓包为主，高速下转为前板冲塞与花瓣开裂。CT结果显示，最大分层集中于后部金属-复合材料界面，且分层面积与背部鼓包面积呈正相关，证明了金属层对复合材料变形的约束作用。数值模型对弹道极限的预测偏差小于2%，但在高速穿透后对分层面积的预测存在高估，归因于内聚界面模型未考虑应变率效应。

讨论与结论翻译

研究证实，在AISI 304不锈钢间引入UHMWPE层可显著提升FML的弹道效率。薄型配置实现了减重与防护的平衡，厚型配置则在同等重量下大幅提升了防护等级。损伤机理研究表明，冲击速度决定了主导失效模式，弹道极限附近的分层与鼓包最为严重，高速下则以局部剪切破坏为主。所开发的数值建模策略——即先独立校准各组成材料模型再进行集成——被证明是一种稳健的设计工具。尽管模型在全局响应预测上精度较高，但未来仍需进一步表征动态加载下的界面性能以提升分层预测的准确性。该研究为轻量化装甲的结构设计与优化提供了重要的实验数据与仿真基础。