基于LS-DYNA的弹丸入射单层Twaron织物的仿真研究

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当前,弹丸入射防弹衣的研究有着广泛的应用价值。对这一过程的研究在认识防弹衣破坏机理,材料的失效过程与方式,新型编织方式的改进等方面都有着重要的参考意义。但是弹丸入射防弹衣的过程非常短暂,是一个包含材料非线性、几何大变形、高应变率等问题的过程。涉及的变形、应力、速度、能量等变量随时间的变化规律难以在实验中准确获得。目前,数值仿真计算已成为研究此类瞬态动力学的重要手段。长期以来,对于防弹衣模型往往只是采用简单的平面单元进行建模仿真,防弹衣所使用的高聚合芳纶类纤维材料的粘弹性往往被忽视,纤维材料的本构模型缺少认识,弹丸与织物的接触过程中,材料的微观破坏机理及其过程的研究极其缺乏,这些都造成了仿真研究的精度不准确。为了满足工程的需要,必须试图解决和克服上述的困难。本文在研究了大量有关复合式防弹衣材料及结构特点和有限元建模方式的文献基础上。通过对单层Twaron材料在弹丸冲击下弹体速度、动能随时间的变化,冲击节点最大位移,以及单层Twaron材料Von Mises等效应力变化进行了较为详细研究,通过Lambert-Jonas方程,研究了不同的防弹衣建模方式情况下的动力学响应和弹丸的临界速度,比较了这两种建模方式的优缺点,以及提出了一种优化的复合建模仿真方式。本文研究的主要内容有:(1)对复合式防弹衣材料的发展历程、防弹机理,Twaron材料的本构模型、动力学特性做了较为详尽的论述,应用HyperWorks有限元分析软件,建立了传统二维平面壳单元和三维平纺式编织型壳单元防弹衣的有限元模型,包括网格划分、接触连接处理和载荷及边界条件施加。基于LS-DYNA平台,数值仿真分别得到临界速度并与物理实验的数据进行比较以及阐述了织物破坏的微观过程与机理。(2)比较分析两种不同的建模方法,提出了Twaron织物的十字交叉复合壳单元建模的方法,该方法既较为真实地模拟了织物的破坏机理,又节约了计算时间保证了数值的精确度,为以后其它相关问题的研究提供一定的参考和理论基础。(3)在平纺织物的仿真分析基础上,对三向斜纺的Twaron织物进行了仿真研究,针对斜纱倾斜角对织物特性的影响,分别对倾角为30度、45度和60度的织物进行分析与对比,结合织物应力云图的变化分析了织物破坏的机理,为未来防弹衣的研究提供了一定的帮助。
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