一种基于塑料、陶瓷和金属的多层防弹插板建模方法

技术领域

本发明属于方法发明技术领域，具体涉及到一种基于塑料、陶瓷和金属的多层防弹插板建模方法。

背景技术

复合式防弹衣主要以金属、陶瓷等防弹性能好的硬质材料作为外层，以高性能纤维材料等软质材料作为内层。这类防弹衣兼具硬体防弹衣和软体防弹衣的特点：重量较轻，舒适性较好防弹能力较好且对后方没有二次破片杀伤。

市面上大多数复合防弹衣是陶瓷加塑料内衬的双层结构设计，防护作用主要依赖于陶瓷的破碎，然而当陶瓷层在被超高速射弹侵彻时，产生的破片同样具有较大的杀伤效能，相较于陶瓷更软的背衬塑料层不具备对这类射弹和陶瓷破片的防护能力。同时由于陶瓷的断裂韧性较低，产生的破片会向四面八方飞射，复合防弹衣上单一的包布抵挡不住陶瓷破片的二次侵彻，有极大的可能会造成前方友方单位的误伤。

目前对于子弹侵彻等超高应变率问题，实验过程中存在两个难点：一是实验过程中难以控制的变量较多，子弹侵彻时的攻角、与防弹插板接触时的速度和子弹侵彻防弹插板的位置等参数都难以控制，这导致了对防弹插板防护性能的定量分析产生了极大的阻碍，目前防弹插板的防护指标仅规定了子弹速度和背衬凹陷深度，并未对其他指标做出规定，更说明了侵彻实验的复杂性；另一原因是侵彻实验的成本较高，超高速射弹侵彻防弹插板持续时间仅有约100μs，使用100000帧/s的工业摄像机仅仅能拍下十张照片，对侵彻过程的分析存在断点，且使用这种工业照相机的成本十分昂贵。

针对以上问题，设计新型复合防弹插板并开展侵彻仿真工作具有重要意义，目前首要解决的问题就是对市面上常见的防弹插板材料进行材料定义并创建防弹插板模型。

发明内容

为了解决射弹侵彻防弹插板实验成本、高精度难以保证的问题，本发明的目的在于提供一种基于塑料、陶瓷和金属的多层防弹插板建模方法，本发明为了提高仿真精度，针对塑料、陶瓷和金属三种材料使用了不同的高应变率本构模型及其失效准则，针对塑料这一各向异性材料，使用三维Hashin失效准则；对于陶瓷这一类脆性材料使用Johnson-Holmquist本构模型；对于金属这一类弹塑性特征明显的材料使用Johnson-Cook本构模型及其失效准则。建模效率高、仿真精度高。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于塑料、陶瓷和金属的多层防弹插板建模方法，该方法适用于使用ABAQUS求解器求解子弹侵彻过程中多层防弹插板的建模部分；通过python脚本、VUMAT子程序和调用ABAQUS内部子程序的方法实现了多层防弹插板的建模及其材料定义，步骤如下：

步骤1：创建Python脚本建模文件，具体步骤如下：1).打开JetBrains PyCharm编译器；2).输入ABAQUS求解器接口代码；3).输入定义六面体板长和宽；4).输入赋予六面体板的厚度；5).命名所创建六面体板；

根据所需要创建板的数量，重复上述五个步骤；并根据所需各六面体板的要求，在步骤3)和步骤4)中修改相应尺寸数据，在步骤5)修改命名内容；完成上述过程后保存文件，生成Python脚本文件；

步骤2：打开ABAQUS求解器，运行所建立的Python脚本文件，ABAQUS求解器中部件模块生成所设计六面体板模型；

步骤3：打开ABAQUS求解器中装配模块，在装配模块中导入生成的六面体板模型，移动六面体板模型空间位置使数个六面体板进行层叠，各层六面体板间距离为0，完成多层板实体装配部件的建立；打开ABAQUS求解器中相互作用模块，创建各板间零厚度接触，具体步骤如下：1).提取相互接触的两层六面体板的板面，并设置为A面和B面；2).确定绑定主副面，若A面所在的六面体的材料的杨氏模量大于B面所在的六面体的材料的杨氏模量，则将A面作为主面，B面作为副面；材料的杨氏模量大小排序：陶瓷＞金属＞塑料；3).使用绑定设置将A面和B面绑定，绑定后A面和B面上的载荷和位移相同；

步骤4：创建三维Hashin失效准则的VUMAT子程序，具体步骤如下：1).打开VisualStudio编译器；2).输入ABAQUS求解器接口代码；3).输入三维Hashin失效准则代码；4).保存文件，生成VUMAT子程序；

赋予六面体板塑料材料属性和三维Hashin失效准则，具体步骤如下：1).在ABAQUS求解器的属性模块创建材料，并命名Plastic，输入用户自定义参数，包括：1方向杨氏模量E

其中Hashin失效准则包括以下失效模式：

1).纤维拉伸失效模式：

2).纤维压缩失效模式：

3).基体拉伸失效模式：

4).基体压缩失效模式：

其中，下标F指代纤维；下标M指代基体；下标t指代拉伸；下标c指代压

缩；

σ

S

X

ξ

X

ξ

Y

ξ

Y

ξ

步骤5：赋予六面体板陶瓷材料属性，具体步骤如下：1).在ABAQUS求解器的属性模块创建材料，命名为ABQ_JH2_Ceramics，以ABQ_JH2_为前缀命名的材料自动调用ABAQUS求解器中内嵌的Johnson-Holmquist本构模型；2).输入用户自定义参数，包括：初始密度ρ

JH-2强度模型是将材料的等效应力表示成静水压力的幂函数形式并且与

应变率和损伤因子D相关，其中定义的归一化强度模型为：

当材料未发生损伤D＝0时，归一化等效应力表示为：

当材料完全破碎D＝1时，归一化等效应力为：

p

由裂纹导致的损伤：

裂纹产生前静水压力为：

p＝K

裂纹产生后，需要加入压力增量Δp，静水压力修正为：

p＝K

其中，各参数定义如下：D—材料损伤因子，0≤D≤1

—完整材料的归一化等效应力/>

p—静水压力

p

A—未损伤强度系数

N—未损伤强度指数

B—断裂强度系数

M—断裂强度指数

C—应变率系数

P

D

K

K

K

μ—体应变

Δt—时间增量

Δp—压力增量

Δp

ΔU—内能增量

Δε

—在恒定压力p作用下的等效塑性断裂应变

Δp

μ

步骤6：赋予六面体板金属材料属性，具体步骤如下：1).在ABAQUS求解器的属性模块创建材料，命名为Metal；2).在材料卡片中选择塑性定义，硬化指标定义选择Johnson-Cook，输入状态方程相关参数；3).在材料卡片中选择弹性定义，输入杨氏模量和泊松比；4).在材料卡片中选择延性金属损伤定义，选择Johnson-Cook损伤，输入损伤方程相关参数，完成材料Metal定义；5).创建截面，命名为Section-Metal，选择Section-Metal的材料为步骤1)至步骤4)所创建的Metal材料；6).赋予六面体板Section-Metal的截面，完成对六面体板赋予金属材料属性的任务；

其中Johnson-Cook本构模型理论如下：

JC本构模型中材料的动态变形过程中应变作用、应变率作用以及温升软化三个现象是独立的，流动应力与应变、应变率、温度呈现的是递增作用影响关系；

Johnson-Cook模型的应力应变关系式为：

σ—等效流动应力

—等效塑性应变率

—参考应变率

Z

Z

Z—材料发生变形时的初始温度

A

B

m—材料的热软化指数

n—硬化指数

ε

通过以上步骤实现建立可供ABAQUS求解器求解的塑料、陶瓷和金属的多层防弹插板模型。

和现有防弹插板建模方法相比，本发明具备如下优点：

1).本发明提供的建模方法建模效率高，使用编写的Python脚本文件可以在ABAQUS求解器中快速创建六面体板模型。

2).本发明提供的建模方法兼容性好，修改Python脚本文件中定义尺寸的代码，可以完成任意尺寸六面体板模型的创建。

3).本发明提供的建模方法实用性强，针对于常用于防弹插板设计的三种材料：塑料、陶瓷和金属，分别定义了各自的本构模型和失效准则。

4).本发明提供的建模方法仿真精度高，与使用ABAQUS求解器内置的单元删除准则相比，编写VUMAT子程序定义单元删除准则的方法具有更高的仿真精度。

5).本发明提供的建模方法逻辑清晰，可读性强，本方法严格遵循建立六面体板模型、装配六面体板模型、创建六面体板接触属性、创建材料属性、赋予六面体板材料属性的流程进行。

附图说明

图1为基于塑料、陶瓷和金属的多层防弹插板建模流程图。

图2为用本发明方法所构建的多层防弹插板示意图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明做出进一步详细描述，本发明中提出的建模方法主要包括如下几个步骤：

步骤1：创建Python脚本建模文件，具体步骤如下：1).打开JetBrains PyCharm编译器；2).输入ABAQUS求解器接口代码；3).输入定义第一块六面体板长和宽为50；4).输入赋予第一块六面体板的厚度为2；5).命名所创建第一块六面体板为Plate_Plastic；6).输入定义第二块六面体板长和宽为50；7).输入赋予第二块六面体板的厚度为4；8).命名所创建第二块六面体板为Plate_Ceramic；9).输入定义第三块六面体板长和宽为50；10).输入赋予第三块六面体板的厚度为2；11).命名所创建第三块六面体板为Plate_Metal。12).保存文件，生成Python脚本文件，命名为Modeling-Script。

步骤2：打开ABAQUS求解器，运行所建立的Python脚本文件Modeling-Script。

步骤3：打开ABAQUS求解器中装配模块，在装配模块中导入生成的三块六面体板模型，移动六面体板模型空间位置使三个六面体板进行层叠，各层六面体板间距离为0，层叠顺序为Plate_Plastic、Plate_Ceramic、Plate_Metal，完成多层板实体装配部件的建立；打开ABAQUS求解器中相互作用模块，创建各板间零厚度接触，具体步骤如下：1).提取六面体板Plate_Plastic和六面体板Plate_Ceramic相互接触的两个面，并命名为Surface_Plastic和Surface_Ceramic；2).使用绑定设置将Surface_Ceramic和Surface_Plastic这两个面绑定，绑定中选择Surface_Ceramic为主面。3).提取六面体板Plate_Ceramic和六面体板Plate_Metal相互接触的两个面，并命名为Surface_Ceramic和Surface_Metal；4).使用绑定设置将Surface_Ceramic和Surface_Metal这两个面绑定，绑定中选择Surface_Ceramic为主面。完成绑定设置。

步骤4：创建三维Hashin失效准则的VUMAT子程序，具体步骤如下：1).打开VisualStudio编译器；2).输入ABAQUS求解器接口代码；3).输入三维Hashin失效准则代码；4).保存文件，生成VUMAT子程序，并命名为VUMAT_Hashin。

赋予六面体板Plate_Plastic塑料材料属性和三维Hashin失效准则，具体步骤如下：1).在ABAQUS求解器的属性模块创建材料，并命名Plastic，输入用户自定义参数，包括：1方向杨氏模量E

步骤5：赋予六面体板Plate_Ceramic陶瓷材料属性，具体步骤如下：1).在ABAQUS求解器的属性模块创建材料，命名为ABQ_JH2_Ceramics，以ABQ_JH2_为前缀命名的材料自动调用ABAQUS求解器中内嵌的Johnson-Holmquist本构模型；2).输入用户自定义参数，包括：初始密度ρ

步骤6：赋予六面体板Plate_Metal金属材料属性，具体步骤如下：1).在ABAQUS求解器的属性模块创建材料，命名为Metal；2).在材料卡片中选择塑性定义，硬化指标定义选择Johnson-Cook，输入状态方程相关参数；3).在材料卡片中选择弹性定义，输入杨氏模量和泊松比；4).在材料卡片中选择延性金属损伤定义，选择Johnson-Cook损伤，输入损伤方程相关参数，完成材料Metal定义；5).创建截面，命名为Section-Metal，选择Section-Metal的材料为步骤1)至步骤4)所创建的Metal材料；6).赋予六面体板Plate_Metal以Section-Metal的截面，完成对六面体板Plate_Metal赋予金属材料属性的任务。

附图2即为所创建复合防弹插板示意图。