双箭头负泊松比结构抗侵彻性能_刘洋佐.pdf

第 45 卷 第 2 期国防科技大学学报Vol 45 No 22023 年 4 月JOUNAL OF NATIONAL UNIVESITY OF DEFENSE TECHNOLOGYApr 2023doi:10 11887/j cn 202302023http:/journal nudt edu cn双箭头负泊松比结构抗侵彻性能*刘洋佐，马大为，任杰，仲健林，赵昌方(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京210094)摘要:采用数值模拟方法研究了双箭头负泊松比多胞结构抗子弹侵彻性能，对比分析了顶边撞击、铰点撞击、侧边撞击三种弹靶作用条件下子弹的侵彻行为与双箭头负泊松比结构的破坏形式。研究结果表明:当子弹以较高速度撞击双箭头负泊松比结构时，该结构的负泊松比效应不显著;顶边撞击与铰点撞击时，子弹直接贯穿结构，胞元破坏较小，此时双箭头负泊松比多胞结构抗侵彻性能较差;侧边撞击时，子弹未贯穿多胞结构，胞元破坏较大，双箭头负泊松比结构依靠其双三角结构使子弹发生偏转，显著增大了其侵彻阻力。分析了顶边撞击时子弹的入射角度变化对于双箭头负泊松比结构抗侵彻性能的影响，发现存在 30入射角和60入射角。当子弹处于这两种入射角附近时，双箭头负泊松比多胞结构具有一定的抗侵彻能力。关键词:多胞材料;负泊松比;结构响应;局部侵彻中图分类号:O342;TB383;TJ03文献标志码:A文章编号:1001 2486(2023)02 197 11Ballistic performance of double arrownegative Poissons ratio structureLIU Yangzuo，MA Dawei，EN Jie，ZHONG Jianlin，ZHAO Changfang(School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)Abstract:The penetration performance of the double-arrow negative Poissons ratio multicellular structure against bullet penetration wasstudied by numerical simulation method The penetration behaviors of bullets and the damage forms of the double-arrow negative Poissons ratiostructure under the three bullet target conditions of top-edge impact，hinge-point impact and side-impact were compared and analyzed The resultsshow that the negative Poissons ratio effect of the double-arrow negative Poissons ratio structure is not significant when the bullet impacts thestructure at a high velocity The bullet directly penetrates the structure at topside impact and hinge point impact，the damage of the cell element issmall and the anti-intrusion performance of the double-arrow negative Poissons ratio multi-cell structure is poor at this time The bullet does notpenetrate the multi-cell structure at side impact，and the damage of the cell element is large;the double-arrow negative Poissons ratio structure relieson its double-Poissons ratio structure to deflect the bullet at side impact The double-arrow negative Poissons ratio structure relies on its doubletriangular structure to deflect and roll the bullet during side impact，which significantly increases its penetration resistance The effect of the changein the angle of incidence of the bullet during topside impact on the intrusion resistance of the double-arrow negative Poissons ratio structure wasanalyzed It is found that there is a 30 angle of incidence and a 60 angle of incidence The double-arrow negative Poissons ratio multi-cellstructure has some resistance to penetration when the bullet is near these two incidence anglesKeywords:cellular materials;negative Poissons ratio;structural response;local penetration军用大型特种车辆除面对来袭弹药爆炸产生的冲击波与破片威胁外，也不能忽略敌方枪械射击造成的损伤。负泊松比(negative Poisson sratio，NP)超材料在受到轴向拉伸(或压缩)时，其垂直方向有膨胀(或收缩)的力学特性1。近年来 NP 多胞材料因其出色的力学性能、良好的吸能特性与轻质化特性，在冲击防护领域具有重要应用价值2 3，NP 多胞材料结构在军用大型特种车辆的使用对于提高车辆抗毁伤能力方面有着积极作用。因此研究 NP 多胞结构在中口径子弹侵彻作用下的整体结构响应与局部撞击响应，对于充分认识 NP 多胞结构的抗侵彻机理具有重要研究意义。杨德庆等4 研究了星形 NP 超材料防护结构的抗爆抗冲击性能，对于高速或超高速弹体侵彻问题，单纯依靠结构性的被动防御无法应对;*收稿日期:2021 05 27基金项目:国家自然科学基金资助项目(12002169);江苏省博士后基金资助项目(2020Z226);江苏省研究生科研与实践创新计划资助项目(SJCX20_0106)作者简介:刘洋佐(1995)，男，青海西宁人，博士研究生，E-mail:1327649083 qq com;任杰(通信作者)，男，江苏常州人，副教授，博士，硕士生导师，E-mail:renjie njust edu cn国 防 科 技 大 学 学 报第 45 卷NP 效应蜂窝夹芯防护结构相较常规防护结构具有良好的水下抗爆性能。Qi 等5 对三种不同胞元的蜂窝夹芯板结构在钝头弹冲击下的动力学响应进行了研究。内凹六边形胞元与矩形、正六边形胞元相比，因其结构具有 NP 效应，其夹心结构具备最高的冲击阻力。Jin 等6 研究了爆炸冲击下具有功能梯度的 NP 蜂窝芯层的结构响应，并与未分级的蜂窝芯层和规则排列的蜂窝芯层进行了对比，结果显示，分级蜂窝芯层及交叉排列蜂窝芯层能够显著提高夹芯层结构的抗爆性能。马芳武等7 分析了冲击倾角与冲击速度对内凹三角形 NP 多胞结构面内冲击的变形模态和动力响应的影响，结果指出内凹三角形 NP 多胞结构具备一个最佳冲击倾角，使得抵抗变形的形式主要以结构胞壁的压缩与弯曲为主，平台应力值与吸能值得到了较大的提升，进一步发挥了多胞结构的抗承载能力。沈振峰等8 提出了一种新型 NP 内凹环形蜂窝结构模型。研究了面内冲击载荷作用下胞元微结构对该内凹环形蜂窝材料的变形行为、动态冲击应力和能量吸收特性的影响。发现与传统内凹六边形蜂窝不同，在相同冲击速度下，内凹环形蜂窝的最大峰值应力降低显著，并且具备良好的冲击载荷一致性。并基于一维冲击波理论，推导了内凹环形蜂窝材料的动态平台应力经验公式。纵观已有文献，对 NP 多胞结构的研究多集中于通过刚性平板对结构进行撞击的方式施加冲击载荷，以此得到结构的面内冲击动力学性能，利用子弹撞击 NP 多胞结构施加冲击载荷的研究较少。现有的相关研究中往往不考虑子弹的变形，且子弹的特征尺寸大于胞元特征尺寸，子弹撞击速度多集中在中低速范围(v 500 m/s)，而研究 NP多胞结构在子弹高速冲击下的结构响应并不多见。综上所述，本文在子弹特征尺寸与胞元特征尺寸同量级时，考虑子弹侵彻过程中的弹体变形因素，对子弹高速侵彻双箭头 NP 结构过程进行研究，探讨双箭头 NP 结构的抗子弹侵彻性能。1数值模拟1 1子弹与双箭头 NP 结构双箭头 NP 结构是一种典型的内凹结构，它们是由薄肋和连接铰链组成的桁架结构构成1。本文研究的双箭头 NP 结构是由多个单胞结构叠加组成，单胞结构尺寸9 如图 1 所示。参数如下:短胞壁高度 h=4 mm;长胞壁长度 a=4 mm，胞壁厚度 b=1.5 mm，胞元宽度 c=34 mm，胞元高度 H=20 mm，相对密度 =0.162。子弹头部形状为截卵形，弹丸长度 L=26.8 mm，直径 d=7.62 mm，截顶直径 d0=1 mm。(a)胞元尺寸(a)Cell size(b)子弹尺寸(b)Bullet size图 1双箭头 NP 结构与子弹尺寸Fig 1Double arrow NP structure and bullet size双箭头 NP 多胞结构试样由 8 8 形式的单胞结构组成。试样高度为 163 mm，试样宽度为272 mm，试样面外厚度为 34 mm。本研究中子弹以 700 m/s 的初速度正向撞击双箭头 NP 结构。为分析该结构在不同位置、不同角度受子弹撞击时的抗侵彻能力，使用同一种NP 多胞结构试样构建了三种工况下的模型，即子弹垂直撞击胞元顶角水平壁时的“顶边撞击”模型、撞击相邻胞元之间连接铰处的“铰点撞击”模型、撞击外侧斜边中点时的“侧边撞击”模型，分别对应图 2(a)、图 2(b)与图 2(c)中的几何模型。(a)顶边撞击(a)Top edge impact(b)铰点撞击(b)Hinge impact891第 2 期刘洋佐，等:双箭头负泊松比结构抗侵彻性能(c)侧边撞击(c)Side impact图 2子弹与 NP 试样几何模型Fig 2Bullet and NP specimen geometry model同时为探究双箭头 NP 结构在受子弹撞击时是否能体现负泊松比效应。如图 3 所示，沿与子弹初速同向的 Z 轴方向，在 NP 结构边沿处依次选取 8 个测试点，并通过测量节点位移分析结构的负泊松比效应。若多数测试点沿 X 轴正向位移较大，可认为该结构发生了明显的负泊松比效应。图 3结构测试点Fig 3Structural test points1 2材料属性与状态方程子弹由 45 钢制成，NP 胞元材料为 2024 铝合金。二者均采用 Johnson-Cook 本构模型用以模拟子弹撞击过程中金属材料的动态力学行为。Johnson-C