纤维增强复合材料抗侵彻研究综述
1 引言
纤维增强复合材料具有优良的物理机械性能和化学性能，其比强度、比模量均比金属材料高，更重要的是它具有较好的动能吸收性，且无“二次杀伤效应”，因而具有优良的防弹性能，被广泛应用于航空航天、兵器工业、交通运输和工程防护等国民经济和国防建设的各个部门[1]。由于纤维增强复合材料在装甲防护领域的广泛应用，使得其在冲击载荷作用下的动态力学行为和抗弹性能的研究引起了国内外学者的广泛关注[2]。
纤维增强复合材料在不同弹速冲击下呈现出不同的破坏模式，这正反映了其在不同弹速作用下吸能机理和变形模式的差异。文献上多数以冲击速度将冲击过程划分为低速、高速和超高速冲击。在低速冲击范围内(弹速小于250m/s)内，很多问题属于结构动力学问题，局部的凹陷或侵彻与结构的总变形紧密联系在一起，典型的加载和响应时间都在毫秒量级；在高速冲击范围内(500~2000m/s)，结构的变形发生在局部范围(2~3倍弹径)内，由惯性效应和应变率效应控制的局部响应变得更重要，此时用波动学说来描述是合适的，其典型的加载和响应时间在微秒量级[3];在超高速冲击范围内(>2000m/s)，可把材料视为可压缩的流体，材料的惯性效应、可压缩效应和相变效应会起重要的作用[4,5]。而有的学者[6~8]则认为速度低于100m/s的冲击为低速冲击，速度高于1000m/s的冲击为超高速速冲击,冲击速度介于两者之间的为高速冲击。但是,速度的划分也不是绝对的,低速、高速和超高速的区别与靶板厚度也有关系，主要取决于碰撞时所发生的物理现象。
目前，用于装甲防护的纤维主要有高强玻纤、碳纤维、氧化铝陶瓷纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、尼龙纤维、M5纤维、PBO纤维和高强高模PVA纤维等[9]。同时，复合材料的结构也从早期的单向板、角度铺层板,发展为织物层压板,近年来又出现了三维编织复合材料,而成型的工艺主要有手糊、喷射、模压、层压、缠绕和拉挤等。结构和成型工艺都直接影响着复合材料的抗弹性能[10,11]。三维织物复合材料，特别是三维编织复合材料具有较高的层间剪切强度和耐压强度[9,12]，而角度铺层的层压复合材料则能产生较大的变形，具有较好的抗拉伸能力，所以，结合两阶段侵彻理论（剪切压缩侵彻和连续侵彻）[2,13~15]，本文认为，将纤维增强复合材料在厚度方向按三维编织结构和角度铺层层压复合材料进行铺层，会得到较好的防弹效果。
从以上的分析中可以知道，纤维增强复合材料在冲击载荷下的动力学行为和不同冲击速度下所呈现的不同的抗侵彻能力，正是纤维增强复合材料弹道侵彻性能研究的重要领域。本文主要回顾了近十年来国内外关于纤维增强复合材料抗弹性能研究的现状和发展趋势。
2 纤维增强复合材料的动力学性能
有的学者也通过纤维的力学性能来预测单层板的力学性能[16]，进而利用Kirchhoff经典理论来预测层合板的刚度矩阵等[17]。但是,复合材料在航空和军工中被用来做成飞机防撞击结构件、防弹装甲、武器部件等时，无不是处在高压、高速冲击等恶劣条件之下。但是，应变率效应的存在使得复合材料的动力学性能与其静态时有很大的不同，所以，研究复合材料的动态力学性能、分析其动态响应，就成为一个十分重要的课题，而复合材料在高应变率下的拉伸、压缩和剪切性能作为其动态性能的重要参数已经受到了广泛的重视[18]。[-page-]
2.1 动力学性能测试方法
用于复合材料动力学性能测试的技术主要有落锤冲击实验、分离式Hopkinson杆拉伸实验[19~20](如图1)和爆炸自由膨胀环拉伸技术[21]如图2)等。落锤冲击实验可测量较低应变率下的力学性能，分离式Hopkinson杆实验可实现102~103/s应变率下的力学性能，而对于装甲防护、弹箭技术等所要求的大于103/s的超高应变率下复合材料的拉伸特性，则要采用爆炸自由膨胀环拉伸实验。
2.2 不同应变率下的动力学性能
树脂基纤维增强复合材料是当代防弹材料的选，国内外学者对其在高速冲击下的拉伸、压缩、剪切等动力学性能进行了很多研究，但是，由于试样标距段纤维损伤、截面积过小、材料不均匀和夹具损伤材料等[18]原因，实验数据都有一定的离散性，纤维增强复合材料的动态拉伸性能是衡量其力学性能的一个重要参数。玻璃钢是一种具有应变率敏感性的粘弹性材料，且表现出明显的各向异性[20]，当应变率达到500/s时，层合板刚度大约比静载时增加了50%[22]，而拉伸失效应变和应力增加量大约为静载时的20%、25%[23]。刘芳[24~26]等通过SHPB(thesplit Hopkinson pressure bar)实验发现,玻纤/环氧三维编织复合材料的失效应力、失效应变、压缩刚度也随应变率的增大而增大。Chocron[27]等发现，较高应变率下，失效应变随应变率增大而减小。这表明,在低应变率时,失效应变随应变率增大而增大；在较高应变率时,失效应变随应变率的增大而减小。同时，GFRP层合板的Hopkinson杆拉伸实验表明，在加载、变形阶段，结构已伴随有损伤发生，从损伤角度看，塑性变形是纤维、基体脆性损伤演化的塑性流动过程[28]。[-page-]
但是，彭刚[21]等利用爆炸自由膨胀环拉伸技术研究更高应变率下树脂基纤维增强复合材料的力学性能(如表1)时，却发现不同纤维的树脂基增强复合材料的力学性能在超高应变率下随应变率变化呈现出不同的变化规律。
基于两阶段侵彻理论，层合板厚度方向和层间的动态力学性能也非常重要。Iannucci[29]等认为，复合材料的压缩模量与应变率没有明显的相关性，而与基体有关的响应，如剪切强度、模量都与应变率密切相关。但是，许沭华[19]等在研究了Kevlar纤维复合材料的准静态(如图3)和动态(如图4)压缩性能后，认为，屈服强度随应变率的增大而提高，并有明显的应变率效应（如表2）；达到屈服强度后，都有明显的软化效应，且在高应变率下有一明显的屈服平台。
层间剪切强度、剪切模量等层间特性主要由基体的性质决定，而复合材料层合板的面内剪切特性也有着重要的意义。王言磊[30]等研究了4种面内剪切实验方法，并认为±45°拉伸实验在测试层合板面内剪切模量方面具有较高的精度。由于环氧基体随应变率变化强度变化不大，Harding[31]等认为，动载下玻纤/环氧层合板的层间剪切强度与静载下的相等。相似的，Tsai[32]等认为，层合板动态II型分层强度与静载下的大小相当。Van[33~34]等认为，玻纤/环氧的剪应力-应变曲线呈现高度的非线性，并提出了非线性剪应力-应变关系有限元模拟中的两个状态变量剪切破坏应力D12和塑性剪应变，γp12，并根据实验得到了具体值，并将其应用到所建立的有限元模型中。将数值模拟结果与实验值进行了对比，发现两者有较好的吻合。[-page-]
3 不同冲击速度下的抗弹性能
纤维增强复合材料在不同的弹道速度冲击下，呈现出不同的变形模式和吸能机理。冲击速度在0~10m/s时，称为低速冲击，相当于工具、重物等的跌落；冲击速度在10~500m/s时，称为中速冲击，相当于飞机跑道上的碎片对飞机的冲击，以及导弹的攻击速度和钢装甲的“二次杀伤”速度；冲击速度在500~2000m/s时，称为高速冲击，相当于炸弹爆炸后高速破片的冲击速度。
目前，测量弹体速度的方法主要有高速摄影、计时器法、光学传感器（ELVS）、微速度传感器和电流二极管法等[35]，而用于评价复合材料损伤面积的方法则有液体渗透法、超声波扫描法、X射线分析法、日光灯探测法等。
3.1 中低速冲击下的抗弹性能
3.1.1 实验分析
低速冲击采用物体从高处下落，而中速冲击则采用气枪发射弹体或破片。Wu[36]等采用改进的多普勒激光系统来记录弹体速度，并通过多项式拟合的方法将速度历程转化为作用力历程，而Paul[37]等在使用计时器法测量弹体速度时，次考虑了空气阻力，并提出了破片的无量纲阻力系数，有效提高了速度测量的准确性。
弹道实验中，靶板的变形和破坏模式影响着其抗弹性能。Tan[38]等从侵彻机理上考察了层合板破口的形状后，认为平头弹的侵彻为剪切破坏，形成圆形穿孔，而半球头弹的侵彻为拉伸破坏，形成矩形穿孔。而熊杰[39]等认为，入射面的损伤区域近似呈方形，对角线方向为经纬方向。出射面在纤维未发生破坏处形成了一个“十”字形向外延伸的泛白区域。Flanagan[40]等发现三维编织复合材料的侵彻区域呈圆形，并认为在相同面密度下，三维编织复合材料的弹道极限小于层压复合材料。
弹道冲击下层合板的吸能情况与靶板的分层和破坏面积、分层损伤等都有着密切的关系，当分层面积超过某个临界值时，它将会对靶板的剩余力学性能产生重要影响。而Wu[36]等通过研究发现，当冲击速度小于弹道极限时，分层面积与初始能量近似成比例。Nunes[41]等采用图形分析法分别研究了20层、30层GFRP在弹道冲击下的破坏面积的大小、形状，提出了四个评估破坏面积的参数，并且认为层合板层间弹性常数的不匹配会造成层合板较大的分层。Paul[37]等认为，破片速度较小时，材料有更多的时间来传播应力，这会引起冲击区域的弯曲，并终导致分层损伤。而黄英[42]等认为，冲击动能相近的小质量弹丸将使复合材料层合板产生较大面积的损伤。在相同初始冲击动能下，速度越大的弹体引起的接触力、靶板变形及分层也越大。
层压板的制作工艺中的成型压力对其防弹性能也有着重要的影响。孙志杰[43]等研究了防弹板与成型压力的关系，发现弹道吸能随成型压力出现两个峰值，压力太小或者压力过大，都会导致弹道吸能减小。张佐光[44]等认为，防弹芳纶复合材料的树脂含量一般以13~18%为宜，且固化压力为2~3MPa为合适。王晓强[45]研究了高强聚乙烯模压层合板中成型压力、成型温度和保温时间等对其抗弹性能的影响，认为成型压力为8.7MPa时，层合靶板的吸能较5.0Mpa时为大。
纤维复合材料的防弹性能受到很多因素的影响，且各因素之间交叉作用，顾冰芳[46]等采用人工神经网络对实验数据进行了分析处理,并建立了BP神经网络模型,认为弹道极限V50与面密度AD基本成线性关系(如式1)，靶板吸能EA与AD呈二次抛物线关系(如式2)。Paul[37]等认为，破片剩余动能与初始冲击动能近似成线性关系，而靶板吸能与初速度近似成抛物线关系，但当初始速度大于弹道极限时，抛物线的斜率减小。同时，梅志远[47]等通过比较实验发现，弹道冲击下层合板处于不同厚度位置的纤维层的变形吸能机理存在差异，即存在厚度效应。
3.1.2 理论分析
复合材料层合板的分层面积和破坏形状对其抗弹性能有着重要影响[48]。David[49]等回顾了低速冲击下层合板分层预测的研究状况,认为其损伤和裂纹的出现是同时发生的，主要采用损伤机理和裂纹机理来预测分层。损伤机理认为，当接触面上产生较大应力时，分层就出现了，且界面应力体现了分层大小；裂纹机理则认为，层间裂纹的增长会导致分层。[-page-]
国内外的不少学者对层合板的失效顺序也有不同的见解。Paul[37]等认为,失效的顺序是基体开裂、纤维断裂、分层和背板材料的损失等。而熊杰[39]等则把靶板的响应过程分为压陷、变形、基体破裂、纤维与基体的脱粘、纤维的断裂及原纤化和分层等。Pan[38]等则认为,层合板的失效顺序为分层、纤维剥落带、纤维撕裂、层合板的折皱等。
不同的失效顺序决定了不同的破坏和吸能机理。Naik[50]等认为，织物层合板的吸能机理为靶板背锥的形成、主纱线的拉伸、次纱线的变形、分层、基体开裂、剪切冲塞和侵彻中的摩擦。Skvortsov[51]等将靶板的能量吸收分为靶板局部破坏吸能和靶板整体变形、运动吸能，且靶板局部破坏吸能随冲击速度的增大而增加。Ganesh[52]等以能量守恒为基础，将层合板的吸能分为靶板弯曲变形吸能、分层吸能、纤维拉伸断裂吸能和摩擦吸能。
同时，也有不少学者采用Hertz的接触定律和应力方法来分析弹体的侵彻行为。Ik[53]等认为，接触力F随层合板变形α正比增加，且比例系数是与材料参数有关的量。而Wen[54]等则将弹靶阻力分为与靶板弹塑性变形有关的准静态阻力和与弹体初始冲击速度有关的动阻力，并以此为依据建立弹体的运动方程。李永池[55]等则将球腔膨胀模型和柱腔膨胀模型相结合，并提出了一种计算纤维增强复合靶抗贯穿规律的新工程分析方法。
3.1.3 数值分析
中低速冲击下复合材料的数值模拟主要采用两种方法，使用商用有限元软件和特有的分析代码。Paul[37]等认为，德国的CODAC损伤代码可以很好的预测薄板的分层问题；而线弹性和粘附裂纹机理及分层极限载荷法可用来预测裂纹引起的分层。
有不少学者利用有限元软件对层合板的破坏过程和分层情况进行预测。Shiuh[56]等利用Ls/Dyna将复合材料层合板的破坏过程分为弯曲或剪应力引起的基体微裂纹和基体微裂纹传播而引起的分层两个阶段，可将这两个阶段看作是层合板损伤的传播和发展过程。Duan[57]等也通过该软件研究了弹体与织物、织物纱线间的摩擦力对层合板吸能的影响，认为这两种摩擦力之间存在耦合作用，它们不仅能够吸收能量，还能够增加织物的应变能和动能，且弹靶间的摩擦系数为0.2时为合理[58]。黄英[41]等利用Mindlin假设，编制了二维有限元程序,并认为应力波沿层合板的横向传播,并使其发生分层,且穿透性破坏先从背层纤维的破坏开始。而Hou[59]等则以应力退化作为更新准则，使用Msc/Patran和Ls/Dyna3D建立计算模型，并认为层合板发生破坏的顺序是：分层、基体开裂、纤维断裂，且分层由厚度方向的压应力产生。Gu[60]等提出了刚性弹体侵彻三维编织复合材料的准细观结构有限元模型，并按Chang-Chang失效准则计算了弹道侵彻过程。徐颖[61]等则采用刚度退化技术和改进的Chang－Chang失效准则判断损伤，并认为基体开裂先发生，而它又导致了分层损伤。
3.2高速冲击下的抗弹性能
3.2.1 实验分析
高速冲击弹道实验采用火药枪来发射子弹或破片，而复合材料的结构对其抗弹性能也有着重要影响。
三维编织复合材料是防弹领域常用的结构形式，对于其防弹性能，有不少学者进行了研究。朱荣生[62]等实验研究了56式钢芯制式弹对三维编织芳纶/环氧靶板的侵彻现象，实验结果表明，入射速度与出射速度基本呈线性关系，在压缩和拉伸的共同作用下纤维分次破坏断裂，而纤维断裂后就不再受力，这就使弹体在侵彻过程中所受载荷不断变化；同时，子弹以一较高速度侵彻靶板时，就会产生压缩应力波，并沿复合材料的横向和纵向进行传播，在遇到自由面和界面时就会反射为拉伸波，在入射波和反射波的共同作用下，靶体背面产生材料崩落。徐静怡[63]和顾伯洪[64]等采用扫描电镜观察了弹道冲击破坏的宏观和细观形态，发现受弹道冲击的入射面以纤维剪切、压缩破坏为主要破坏模式，出射面以纤维的拉伸破坏为主要破坏模式，且复合材料的破坏面积比较集中，这一点明显区别于层压复合材料。
国内外有很多学者对层压复合材料的防弹性进行了深入的研究。梅志远[65,66]等采用弹道实验分别研究了不同基体、不同面密度下的玻璃纤维、芳纶纤维增强层合板对6.2g微曲形柱形弹的防御能力。并将靶板的穿透及冲击载荷作用区域分为侵彻区、靶前扰动区、靶前分层区和靶后变形锥以及靶后分层区，认为面纤维层被弹体高瞬态剪断后的弹性恢复使得扰动区呈现出放射状变形模式；背层变形锥分别呈现花瓣型和放射状冲出型两种变形模式。而DeLuca[67]等在研究破片模拟弹对玻纤增强层合板冲击时，利用扫描电镜得到了破坏面积的大小，进而提出了平均损伤分数(Damaged Fraction)的概念，并认为层合板的损伤体积(Damaged Volume)与破片冲击速度近似成线性关系。
弹体的形状对纤维增强复合材料的防弹性能有着重要的影响，目前使用较多的有制式弹、破片模拟弹、柱形弹、球头弹和立方体破片等。李琦[68]等认为，立方体破片比以往的制式弹和球头弹更能模拟出真实弹片作用的效果，更能准确、全面地反映出纤维增强复合材料受弹片冲击后的破坏失效情况。顾冰芳[69]等研究了立方体破片对超高分子量聚乙烯纤维叠层板的侵彻，弹体的冲击速度决定了纤维的变形模式，且靶板在弹体的冲击下呈现多种多阶段的破坏模式，纤维除呈现剪切、拉伸破坏外，还有明显的塑性流动，且其弹道吸能和单位面密度吸能随弹速的提高而下降。
同时，靶板的厚度对抗弹性能也有着显著的影响。梅志远[65,66]等认为，薄板的抗弹效率稳定性较差，当初始弹速高于弹道极限速度时，其抗弹效率随弹速的增加而下降，而中厚板、厚板的抗弹性能则表现出优异的吸能特性。一般认为，层合板在弹道极限时，呈现出大的吸能量，而王晓强[70,71]等在研究了3.3g立方体破片侵彻UHMWPE纤维厚板后，认为，在弹道极限冲击时，靶板的吸能量并不是靶板吸能的大值，但是，冲击速度接近弹道极限时，靶板呈现出较大的变形，同时，被穿透靶板正面出现垂向层状剥离带，背面出现水平向层状剥离带，这与弹孔附近较大的剪切力和层合板的组成有关。Ja-cobs[72]等的实验结果表明，制式弹侵彻高强聚乙烯层合板时，弹体变形能大约占弹体总损失能量的25%左右。李琦[68]等采用3.9g立方体破片侵彻叠层组合靶后，认为，当弹体速度小于弹道极限时，靶板变形越严重，所形成的鼓包越大，子弹变形也越厉害，所穿透的层数越多；当入射速度大于弹道极限时，弹块与靶板的作用时间变短，破坏程度减小。
纤维增强复合材料的组合结构也影响着其抗弹性能。邱桂杰[73]等将4mm厚的特种橡胶片置于复合材料之间复合成型，发现弹性橡胶材料使弹头的侵彻发生了几毫秒的延迟，而在这个过程中，由于碳纤维复合材料的变形和橡胶的压缩，防弹材料已经吸收了相当多的能量，其防弹效果明显提高。将橡胶引入复合防弹结构中是一大创新。[-page-]
3.2.2 理论分析
Gabi[74]等回顾了近几年来有关高速冲击问题研究的解析模型，而这些模型的分析方法主要分为：①局部相互作用法；②空穴扩展近似法；③Lambert-Jonas近似法。局部相互作用法及简化分析模型的研究必将成为高速冲击问题研究的热点。
梅志远[15,65]等基于动力学分析方法，结合应力波传播理论，对中厚层合板弹道侵彻过程的应力波传播特性和动力学特征进行了分析，提出了统一的层合板两阶段侵彻模型，认为动态效应在高速条件下对剩余速度的影响较小，并提出了提高现有层合板结构抗弹性能的新途径，如降低层间粘结强度、提高面层纤维的抗剪能力等。夏逸平[14]等将弹体撞击编织复合材料的过程分为弹体镦粗和贯穿两个阶段。在弹体镦粗阶段，弹体对靶板的撞击过程可以看成是刚塑性弹体对变形靶的撞击，撞击的结果是弹体头部出现镦粗，镦粗段结束后，认为弹体不再发生变形，即把贯穿段看成是刚性弹体对刚塑性靶板的贯穿阶段。而Jacobs[72]等在考虑弹体变形的情况下，将弹体对靶板的侵彻分为三个阶段：①未变形弹体的侵彻阶段，这一部分的面密度AD1与吸能量Eabsl的关系:Eabsl/S1＝AD1×c；②弹体的变形阶段，这一阶段是瞬时完成的，这一部分的吸能量是EabsB与冲击速度无关，它是一个常数。经过这个阶段后，弹靶接触面积是S2；③变形弹的侵彻阶段，这一部分的面密度AD2与吸能量Eabs2的关系：Eabs2/S2=AD2×c。而夏逸平[14]等将弹体冲击速度分为三种情况：①弹道极限以下，靶板的吸能量与层压板的几何尺寸及界面韧性有关；②弹道极限左右。靶板从整体变形到局部变形加剧，直到一部分纤维破坏，直至靶板贯穿；③高于弹道极限。随着冲击速度的提高，层压板的尺寸效应消失，分层面积也大大减小，材料的响应跟不上侵彻速度，此时层压板的局部变形与断裂可以看作是侵彻穿孔期间能量吸收的唯一机理。
Wen[75~77]等对各种弹头侵彻FRP层合板和夹芯板进行了广泛的研究，比较了它们的破坏断裂模式，给出了贯穿能量和弹道极限并对靶板的响应进行了分类，认为FRP层合板的弹道冲击可划分为两种模式，即总体响应模式和局部化破坏模式。Wen[75]和覃悦[78,79]等认为弹体在侵彻过程中始终保持刚性，而其所受到的平均阻力α由两部分组成：层合板的弹塑性变形引起的准静态应力αs和由速度效应引起的动应力σd，即：
Wen[80]等将Vi定义为弹体的初始冲击速度，则侵彻过程中弹体所受阻力是一个常数；而覃悦[78,79]等则将Vi定义为侵彻过程中,弹体的瞬时速度，则侵彻过程中靶体对弹体的阻力是侵彻速度的函数。根据计算模型，并结合牛顿第二定律，可得到锥头弹丸、卵形弹丸和半球形弹丸的侵彻方程和侵彻深度，进而得到锥头弹丸和平头弹丸的剩余速度：
王元博[2]认为，弹道冲击下层合板沿厚度方向同样存在不同的破坏区见图5(a)；I区(压入破坏区)，弹丸直接侵彻引起该区的压入变形,而压入变形的发展导致该区纤维的压剪耦合断裂见图5(b)；II区(弯曲破坏区)，弯曲拉伸波的作用造成II区的局部弯曲变形，背面出现鼓包，弯曲变形的发展导致II(*)内纤维的拉伸断裂，见图5(c)，断裂纤维被高速弹丸推出靶板，在背面形成弯瓣。所考虑的吸能机制包括I区的压缩破坏和剪切破坏，II区的弯曲吸能、拉伸断裂和弯瓣吸收的惯性能。[-page-]
3.2.3 数值分析
在数值计算中，纤维增强复合材料的本构模型、失效准则、边界条件、靶板大小以及有限元网格的大小都对计算结果的准确性和精度有着显著影响。
顾伯洪[64]等将三维编织复合材料简化为由四块倾斜的单向板构成,并对其中一块单向板使用有限元方法，得到其弹道侵彻性能，后，根据能量守恒定律得到整个复合材料的终弹道性能及弹道侵彻破坏模拟图、剩余速度等。数值计算结果表明，在相同面密度条件下，三维编织结构具有高的抗侵彻能力和结构完整性，贯穿厚度方向的纤维提供了材料的稳定性，增强了材料的层间剪切强度。练军[81]等基于真实几何结构，并利用有限元软件Ls/Dyna建立了56式制式弹正侵彻12×4型三维编织芳纶的细观结构有限元模型，分析得到的加速度－时间历程图准确地反映了纤维断裂、树脂碎裂和靶板变形的综合作用，而剩余速度值也和实验值具有高度的一致性，且破坏模拟图较为准确地反映了实际破坏形态。Duan[56]等认为，摩擦对冲击区域的局部织物结构有着显著的影响，而且在有摩擦时，靶板的吸能量较大。因此，采用细观结构的有限元模型来计算三维编织复合材料的弹道吸能具有高度的精确性。
侯治宁[82]等认为，侵彻问题属于高速冲击动力学的研究范畴，其过程具有高速、高温、高压等特征，由于加载速率高、变形和速度大、接触物体间的侵彻贯入作用等，在高速碰撞过程中，材料内部呈现明显的应变率及绝热温升效应，在材料内部产生的冲击波将在材料内形成压力、密度、能量和质点加速度的间断点,因此需要在数值计算中引入人工体积粘性来修正静水压力项。王晓强[70,83]和侯治宁[82]等在分别利用Msc/Dytran和Ls/Dyna计算侵彻问题时发现,网格的划分方案、形态及粗密程度都将对侵彻问题的分析结果产生明显的影响。
陈晓[84]等在观察弹击实验效果的基础上建立了简约的弹道侵彻有限元模型，认为沿靶板厚度方向应采用非均匀的三段式结构和工艺：在入射面厚度方向三分之一的织物层间，应尽量减小基体的含量，使其更易发生分层，但对织物材料的强度要求并不高；在厚度方向中间的数层,应选取强度很高的材料；在背射面的少数层，应选用高延伸率的纤维，并采用相对较多的含胶量来抑制分层破坏；按强度关系在厚度方向应采用“弱-次强-强”三段组合的方式，可以得到佳的防弹效果。
Silva[85]等采用有限元软件AUTODYN中的新模型计算了钢质的破片模拟弹冲击7层2.4mm厚的Kevlar/Vynilester的层压板。该模型的主要特点为：①材料失效的发生是以一瞬间发生的,且在特定方的向上,失效后材料的刚度等于垂直于该方向的未失效的材料的刚度（由于面内两个主方向的性能相同，失效后三个材料主方向的刚度相等，均为厚度方向的刚度，可近似为各向同性）；②材料的应变率问题在非线性状态方程中表现出来；③当厚度方向出现较大的拉伸应力或应变，或基体的剪应力或应变较大时，分层就会发生，分层一旦发生,厚度方向的应力增量及与厚度有关的刚度系数为0；④当面内出现较大的应力或应变时,纤维发生失效，纤维失效后，面内两个主方向的应力增量及与面内两个主方向有关的刚度系数为0;⑤剩余剪切刚度通过系数来表现。数值计算结果较好的模拟了破片模拟弹对层合板的侵彻效果，这个模型可以为其它有限元软件计算侵彻问题提供一个较好的本构模型和损伤、失效准则。
另外，在弹靶碰撞过程的数值模拟中，为了提高计算精度，应在弹靶不同的接触阶段选用不同的破坏模式和破坏判据。但是，问题的难点就是受剪切、压缩的厚度和拉伸的厚度与哪些因素有关[57]。关于纤维增强复合材料的不同破坏模式和机理的研究是今后研究数值模型的要任务和前沿的研究方向。[-page-]
4 结语
由于树脂基纤维增强复合材料具有良好的抗冲击性能，其在装甲防护领域有广泛应用。梅志远[8]曾对层合板的弹道冲击性能进行了回顾，而本文则简要总结了近年来纤维及其增强复合材料的动力学性能、不同结构的纤维增强复合材料的弹道性能等方面的研究情况。
树脂基纤维增强复合材料具有很强的各向异性、应变率敏感性，不同的制作工艺、不同的树脂含量等都会带来弹道性能的巨大差异。正是由于弹道侵彻问题的复杂性，使得对该问题的研究需要各种方法综合使用。同时，要加强解析模型的建立、实验技术的发展和提高数值计算的精度等。
综合全文,弹道实验在侵彻问题的研究中占有举足轻重的作用，但是由于弹道实验受到应变率、实验环境、实验条件、实验经费、实验手段、实验员等众多因素的影响，解析模型和数值计算模型的研究已经成为未来研究的主要手段。同时，应加强对各种纤维增强复合材料动态力学性能的解析模型和数值模型的研究。
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