Моделирование на уровне нитей тканых и однонаправленных композитных материалов с термопластичной матрицей при баллистическом нагружении

Композиты с термопластичной матрицей на основе высокопрочных волокон (арамидных или СВМПЭ) широко используются при производстве различных защитных структур (бронежилеты, шлемы, бронепанели), которые могут подвергаться высокоскоростному ударному воздействию. В настоящее время с целью снижения времени и стоимости разработки новых конструкций, повышения их надежности широко используются возможности численного моделирования процессов деформирования и разрушения волокнистых композитных материалов при баллистическом нагружении. Можно выделить несколько основных подходов к моделированию композитного материала. Самым распространенным является подход, в котором композит рассматривается как однородный ортотропный материала. Его несомненным достоинством является высокая скорость решения задачи. В то же время он не позволяет описать все особенности разрушения волокнистых композитов, например расслоение и вытягивание волокон. Возросшая за последние несколько лет вычислительная мощность компьютеров, а также повышение доступности суперкомпьютерных вычислений сделали возможным активную разработку и внедрение многоуровневых и мезоуровневых моделей композитных материалов, непосредственно учитывающих их неоднородную структуру на уровне волокон и матрицы. Применение подобного подхода позволяет использовать более простые модели материалов с меньшим числом параметров. В данной работе мезо-уровневое моделирование в конечно-элементном пакете LS-DYNA было использовано для описания деформирования и разрушения двух прессованных композитов с термопластичной матрицей при баллистическом ударе имитатором осколка. Первый тип композитной панели был изготовлен из арамидной ткани полотняного переплетения КВ110П с прослойками из полиэтилена низкого давления (ПЭНД). Композитная панель второго типа состояла из материала на основе высокопрочных полиэтиленовых волокон Dyneema® HB80. Для описания поведения данных панелей при ударе были предложены комбинированные конечно-элементные модели, в которых волокна были схематизированы оболочечными элементами, а матрица - твердотельными. Полученные модели позволили получить удовлетворительное соответствие экспериментальным данным, включая остаточную скорость ударника и основные механизмы разрушения (разрыв волокон, расслоение, вытягивание волокон и т.д.). Представленные модели могут быть использованы для детализированных расчетов керамокомпозитных слоистых структур при ударе.