UHMWPE的应变率效应及其对超高速碰撞特性的影响.pdf

DOI:10.11858/gywlxb.20220666UHMWPE 的应变率效应及其对超高速碰撞特性的影响石景富1，于东2，徐铧东1，刘蕾1，苗常青1（1.哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室,黑龙江哈尔滨150001；2.哈尔滨工业大学机电学院机械设计系,黑龙江哈尔滨150001）摘要：为分析超高分子量聚乙烯（ultra-highmolecularweightpolyethylene,UHMWPE）的应变率效应及其对超高速碰撞特性的影响规律，采用万能材料试验机和分离式霍普金森拉杆对 UHMWPE 纤维束进行静、动态拉伸实验，获得了不同应变率下材料的应力-应变关系，并进一步开展了 UHMWPE 纤维织物的超高速碰撞数值模拟。结果表明，UHMWPE 的拉伸模量和强度均随应变率的升高而逐渐增大。随着材料应变率敏感系数的增大，防护结构对弹丸动能的吸收率呈现先减小后增大的趋势。关键词：超高分子量聚乙烯；应变率；动态拉伸；超高速碰撞中图分类号：O347.3;O414.19文献标识码：A超高分子量聚乙烯（ultra-highmolecularweightpolyethylene,UHMWPE）是一种具有线性分子结构的高性能聚合物材料，具有轻质、高强度、高模量、化学性能稳定、抗冲击性能优异等优点，在军事、航天、建筑等领域应用较为广泛12。近年来，UHMWPE 纤维织物作为军事弹体、航天器空间碎片等的防护结构材料受到研究人员的关注35。研究结果表明，在弹体、空间碎片等高速碰撞防护结构中，碰撞区域在极短时间内受到极高的冲击力作用，碰撞区域材料处于高应变率拉伸状态610。材料力学性能实验研究1112发现，应变率对材料的力学性能具有显著的影响。为研究高性能纤维材料在不同应变率下的力学性能，王庭辉等13通过多种高强度纤维束的动态拉伸实验，发现不同纤维束的动态抗拉强度均高于静态抗拉强度，但不同材料的应变率效应存在差异，Kevlar 纤维束的应变率敏感性最低，而 UHMWPE 纤维束的应变率敏感性最高，Yang 等14在高应变率动态拉伸实验中也发现了类似的结果。Chen 等15对 UHMWPE 纤维层合板进行了动态拉伸测试，应变率范围为 0.0013163.78s1，通过分析失效机理和失效模式，发现 UHMWPE 纤维层合板的拉伸强度及模量随应变率的升高而增加。因此，UHMWPE 是一种典型的应变率敏感材料，研究 UHMWPE 在不同应变率下的拉伸力学性能，分析 UHMWPE 的动态拉伸力学性能演化规律，以及应变率效应对超高速碰撞特性的影响，可为防护结构选材和优化设计提供一定参考。UHMWPE 纤维织物与弹体、空间碎片等的碰撞过程是一种典型的超高速碰撞。材料在超高速碰撞下经历长尺度、大变形过程，甚至会发生熔化、汽化，甚至形成等离子体1617。超高速碰撞主要研究材料在极端高温、高压、高应变率条件下的复杂动态力学响应，考虑碰撞过程的速度快、时间短、试验监测难度大，数值模拟方法为研究超高速碰撞提供了有效手段1820。Shintate 等21模拟了弹丸超高速碰撞复合材料层合靶板的过程，提出了一种基于 SPH（smoothedparticlehydrodynamics）法的层合板数值模型，解决了层合板相邻层间应力不连续问题，并分析了铝弹丸对 8 层石墨/环氧复合材料板的碰撞特*收稿日期：2022-09-28；修回日期：2022-11-04 作者简介：石景富（1994），男，博士研究生，主要从事聚合物材料力学性能研究.E-mail： 通信作者：苗常青（1972），男，博士，教授，主要从事柔性复合材料研究.E-mail：第37卷第3期高压物理学报Vol.37,No.32023年6月CHINESEJOURNALOFHIGHPRESSUREPHYSICSJun.,2023034101-1性。Zhao 等22针对 Kevlar 纤维织物防护结构开展了数值模拟研究，建立了纤维织物的 SPH 模型，模拟得到了纤维织物的破碎特征，其碰撞动能峰值变化与实验测量结果符合较好。徐铧东等23采用正交各向异性弹塑性本构模型及 FEM（finiteelementmethod）-SPH 耦合算法，模拟得到了弹丸超高速碰撞过程中 Kevlar 纤维织物纱线间的接触作用、纱线间相互挤压的应力信息、碎片云团的形成及质量分布等力学特性。UHMWPE 纤维与 Kevlar 纤维均为高性能聚合物纤维材料，作为防护结构材料，得到广泛研究2428。Rogers 等26试验研究了 UHMWPE 和高密度聚乙烯的超高速碰撞特性，分析了碰撞过程中的质量损失、动能变化、弹孔形貌等特征，结果表明，聚合物材料的微观分子结构影响其超高速碰撞特性。Wang 等27实验研究了 UHMWPE 纤维织物的吸能特性及穿孔机理，开展了有限元模拟，模拟结果与实验符合较好。此外，Cha 等28通过试验研究发现，UHMWPE 纤维织物靶板的碰撞特性优于Kevlar 纤维织物靶板，并且 UHMWPE 纤维织物的放气特性也优于 Kevlar 纤维织物，表明 UHMWPE 纤维织物在未来航天器空间碎片防护中具有一定的应用前景，因此，开展 UHMWPE 纤维织物超高速碰撞特性数值模拟研究具有一定的工程应用价值。本研究将对 UHMWPE 纤维束进行静、动态拉伸实验，分析应变率对材料拉伸力学性能的影响规律；在实验研究的基础上，建立 UHMWPE 纤维织物超高速碰撞数值模型，进一步分析应变率效应对其超高速碰撞特性的影响。1 UHMWPE 纤维的拉伸实验针对 UHMWPE 纤维束进行了常温下准静态及动态拉伸实验，其纱线规格为 1600g/9000m，纤维密度为 0.97g/cm3。1.1 准静态拉伸实验利用 INSTRON5965 万能材料试验机进行UHMWPE 纤维束的准静态拉伸实验，实验中通过控制拉伸速度获得所需拉伸应变率，即 0.01 及0.10s1。UHMWPE 纤维束试件在准静态拉伸实验前、后的照片对比如图 1 所示。准静态拉伸过程中，随着不断加载，部分纤维首先发生断裂失效，剩余纤维继续承受载荷，继续加载到一定程度时，载荷迅速下降，纤维束整体失效。UHMWPE纤维束在准静态拉伸后发生断裂，纤维束变得蓬松，其断裂面不平整。1.2 动态拉伸实验用分离式霍普金森杆实验装置进行 UHMWPE纤维束的动态拉伸性能测试2930。在动态拉伸实验过程中，考虑到霍普金森杆装置中的普通夹具难以满足纤维材料拉伸实验的需求，为此设计了一种纤维束动态拉伸实验夹具，其结构的三维设计如图 2 所示。纤维束动态拉伸夹具由夹具主体及压块组成。主体左端通过 M8 外螺纹与霍普金森拉杆实验装置连接，压块与主体由螺栓连接固定，纤维束连接主体上的固定柱，通过主体及压块压紧固定。利用该夹具加工制作 UHMWPE 纤维束动态拉伸试件，如图 3 所示，设置拉伸试件标距为 40mm。在室温下进行 UHMWPE 纤维束动态拉伸实验，通过设定霍普金森拉杆实验装置加载压力，可进行(a)(b)图1准静态拉伸测试：(a)拉伸测试前，(b)拉伸测试后Fig.1Quasi-statictensiletest:(a)beforethetensiletest,(b)afterthetensiletestMain partLock block图2夹具示意图Fig.2Schematicdiagramofthefixture第37卷石景富等：UHMWPE的应变率效应及其对超高速碰撞特性的影响第3期034101-2不同应变率下纤维材料的动态拉伸测试。实验中，入射波和反射波由入射杆应变片测量，透射波由透射杆应变片测量，入射杆原始信号的放大倍数为 500，透射杆原始信号的放大倍数为 27500，得到 UHMWPE纤维束动态拉伸原始实验波形，如图 4 所示，根据一维应力波理论，推导出试样的应力-应变关系。1.3 拉伸实验结果分析通过静、动态拉伸实验，得到了不同应变率下 UHMWPE 纤维束拉伸应力-应变曲线，如图 5 和图 6所示。由准静态拉伸应力-应变曲线可以看出，UHMWPE 纤维束在拉伸过程中，依次经历了弹性变形、屈服、塑性变形、断裂等阶段。由动态拉伸应力-应变曲线可以发现，UHMWPE纤维束在动态拉伸过程中表现出一定的应变率效应，与文献 1314,27 中的实验结果一致。随着应变率的升高，UHMWPE 纤维束的拉伸模量和断裂强度均有一定程度的提升。对应力-应变曲线中的弹性段进行线性拟合，得到杨氏模量，取应力极值点为断裂强度，进一步得到不同应变率下UHMWPE 纤维束的拉伸模量和强度曲线，如图 7所示。由图 7中的结果可以看出，在不同应变率下，UHMWPE 纤维束的拉伸过程表现出明显的应变率效应，即随着应变率的升高，拉伸模量和强度图3UHMWPE 纤维束动态拉伸试件Fig.3SpecimensofUHMWPEfiberbundlesfordynamictensile00.10.20.30.40.50.60.71.51.00.500.51.01.52.0Voltage/VTime/msIncident waveReflected waveTransmitted wave图4动态拉伸波形Fig.4Waveformobtainedbydynamictensile00.050.100.150.2000.51.01.52.0Stress/GPaStrain0.01 s10.10 s1图5准静态拉伸应力-应变曲线Fig.5Stress-straincurvesobtainedbyquasi-statictensile00.020.040.060.080.100.1200.51.01.52.0Stress/GPaStrain 220 s1 280 s1 300 s1 350 s1 400 s1图6动态拉伸应力-应变曲线Fig.6Stress-straincurvesobtainedbydynamictensile20024028032036040081828384858687ModulusStrengthStrain rate/s1Modulus/GPa1.801.841.881.921.96Strength/GPa图7模量和强度随应变率的变化曲线Fig.7Modulusandstrengthversusstrainrate第37卷石景富等：UHMWPE的应变率效应及其对超高速碰撞特性的影响第3期034101-3均显著增大。当应变率由 220s1升高至 400s1时，其弹性模量由 81.01GPa增加至 86.71GPa，提高了7.04%，强度由 1.80GPa 增大至 1.95GPa，提高了 7.69%，说明 UHMWPE 纤维束在拉伸过程中表现出显著的应变率强化效应。UHMWPE 纤维束的动态拉伸力学性能受应变率的影响显著，表明其纤维材料具有一定的黏弹性。实验中为保证实验装置稳定工作，发射压力范围设置为 0.40.8MPa，因此得到的应变率接近，动态测试结果的离散性较小。通过分析应力-应变曲线，可定性分析材料的模量、强度等受应变率影响的变化趋势，材料表现出的应变率效应与相关文献中的实验结果相符，验证了实验结果。后续将在优化实验装置及实验方案的基础上，进一步开展宽应变率范围内的动态拉伸实验。2 UHMWPE 纤维织物的超高速碰撞数值模拟UHMWPE 具有显著的应变率强化效应，考虑到超高速碰撞过程中碰撞区域将处于高压、高应变率状态，为分析应变率效应对其超高速碰撞特性的影响规律，在 UHMWPE 应变率效应分析的基础上，根据 UHMWPE 纤维束动态拉伸实验结果，建立 UHMWPE 纤维织物的超高速碰撞数值模型，分析应变率对其碰撞特性的影响规律。2.1 数值模型建立UHMWPE 纤维织物由纱线编织而成，为模拟其编织结构特性，将纱线等效为连续体结构，将其截面近似为椭圆形，并采用正弦曲线模拟编织结构特性，建立了纤维织物纱线编织单胞模型，如图 8 所示，其中纱线宽度为 0.78mm，纱线中间厚为 0.24mm