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超高分子量聚乙烯（UHMWPE）因其优异的力学性能，在防弹领域得到广泛应用，然而，在实际应用中，曲面结构的 UHMWPE 复合材料靶板在高速冲击下容易出现较大的背面变形，这会降低其防弹性能并造成钝伤风险。目前，关于平面 UHMWPE 复合材料靶板背面变形的研究已经较为成熟，但对于曲面结构的研究相对较少。现有研究表明，曲率对背面变形有负面影响，但具体的变形机制尚不明确。
近日，《Composite Structures》期刊发表了一篇由清华大学航天航空学院、北京理工大学机电工程学院和北京航空航天大学固体力学研究所的研究团队完成的有关曲面 UHMWPE 复合材料靶板背面变形机制的研究成果。该文章研究了高速度冲击下曲率对UHMWPE复合板背板变形的影响，揭示了曲率导致背板变形区域集中，进而增大尖点位移的机制，为设计具有更好弹道性能的UHMWPE复合板提供了理论指导。论文标题为“Analyzing the back-face deformation of curved UHMWPE composite laminate under high-speed impact”。
研究采用数值模拟和理论分析相结合的方法。在数值模拟方面，研究人员利用Abaqus/Explicit软件建立了UHMWPE复合板的有限元模型，并模拟了不同曲率复合板在高速冲击下的动态响应，分析了背板变形特征。在理论分析方面，研究人员建立了正交各向异性曲板模型，并分析了弯曲波在曲板中的传播规律，推导了曲率与弯曲波速度之间的关系，从而解释了曲率对背板变形的影响机制。
图1 有限元模型示意图
图2 数值模拟结果与实验结果的对比
图3 不同曲率靶板的峰值位移和位移云图
图4 不同曲率靶板的铰链位置和等效应变云图
研究通过数值模拟和理论分析，揭示了曲率对 UHMWPE 复合材料板在高速冲击下背板变形的影响。研究发现，曲率导致背板变形区域集中，尖点位移增大，从而降低了材料的抗冲击性能。此外，曲率还会影响材料的变形模式，使其从膜拉伸主导转变为膜拉伸和弯曲共同主导，随着曲率的增加，膜拉伸的影响减弱，弯曲的影响增强。进一步的理论分析表明，曲率通过影响弯曲波的传播，导致背板变形区域运动减缓，进而导致尖点位移增大。
在理论层面，研究揭示了曲率对UHMWPE复合板背板变形的影响机制，并阐明了弯曲变形模式在曲面结构中的重要作用，为设计具有更好弹道性能的UHMWPE复合板提供了理论指导。在应用层面，研究提出了减小曲率、提高弯曲刚度等方法来降低背板变形，为UHMWPE复合板在弹道防护领域的应用提供了参考，有助于提高防护装备的性能，更好地保护人员安全。
图5 不同曲率靶板的位移云图和膜力、剪力分布
图6 正交各向异性曲面板弯曲波传播模型示意图
研究深入揭示了曲面UHMWPE复合材料靶板在高速冲击下的背面变形规律和机制，阐明了曲率对背板变形的影响，并揭示了弯曲变形模式在曲面结构中的重要作用。该研究成果为设计具有更好防弹性能的曲面UHMWPE复合材料靶板提供了理论指导，并为提高防弹装备的防护性能提供了新的思路和方法，具有重要的理论意义和应用价值。
原始文献：
Zhang, Y., Yang, S., Yan, Z., Gao, Y., Du, Z., & Liu, Z. (2024). Analyzing the back-face deformation of curved UHMWPE composite laminate under high-speed impact. Composite Structures, 351, 118567.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118567
编辑：复小可
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