基于高保真仿真的多层芳纶复合材料的防刺机制，符合美国NIJ标准

《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：Stab resistant mechanism of multilayer aramid composites based on high-fidelity simulation in accordance with U.S. NIJ standard

芳纶树脂复合材料防刺机制研究通过动态刺入测试与高保真有限元模拟发现其抗刺主要依赖高强纤维与基体阻抗而非吸能，并验证了模型准确性。

　　

刘宇航|袁明正|周宏远|张宏

中国北京工业大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081

摘要

多层编织芳纶树脂基复合材料（MFC）具有高比强度、低重量和柔韧性，同时在保持移动性的同时提供出色的抗刺性能。尽管根据美国国家司法研究所标准0115.00进行的动态刺穿测试可以通过冲击力和穿透层来比较评估MFC的抗刺性能，但它对潜在的动态抗刺机制的洞察有限。现有的仿真研究通常简化了标准中规定的冲击器和背衬材料，导致无法充分准确地再现实际的刺穿响应。本研究对MFC进行了标准动态刺穿测试，并建立了一个高保真度仿真模型来研究动态刺穿响应和抗刺机制。仿真结果与测试数据相比，穿透层和冲击力的误差小于5%。能量传递和失效模式分析表明，MFC仅吸收了系统总能量的14.1%，并在冲击点处经历了高度局部化的拉伸和压缩应力。这表明MFC的主要抗刺机制不是能量吸收，而是利用材料的高强度来阻碍刀具的推进。提高纤维的拉伸强度和树脂基体的压缩强度可以增强抗刺性能。

引言

根据世界卫生组织的统计数据，在非战争冲突环境中，锐器伤害已成为威胁生命的主要暴力形式之一[1]、[2]、[3]、[4]。开发具有优异抗刺性能的柔性防护装备对于提高公共安全保护至关重要[5]、[6]、[7]。目前市场上的主流柔性抗刺装甲主要由多层纤维增强复合材料构成，通常包括高比强度的编织芳纶织物和树脂基体[8]、[9]、[10]、[11]。

多层芳纶纤维树脂复合材料具有各向异性、非均匀性和层状特性[12]，这促使许多研究人员通过准静态或动态实验方法研究编织纤维复合材料的抗刺机制。准静态穿透测试涉及以5-508毫米/分钟的速度将刀具插入单层抗刺材料中[13]、[14]、[15]、[16]，以便观察刀具与材料的相互作用，但这与实际的动态刺穿情况有显著差异。基于现实世界的刺穿场景，美国国家司法研究所（NIJ）在NIJ标准0115.00“个人防弹衣的抗刺性能”中建立了动态刺穿测试协议来评估抗刺性能[17]、[18]。该标准要求冲击器由刀具、缓冲组件、尼龙外壳和刚性支撑结构组成，以≥4.9米/秒的速度冲击抗刺结构，以模拟人类手臂运动的二次力施加过程。背衬材料必须由四层5.8毫米厚的氯丁橡胶泡沫组成（从撞击面开始向下），然后是一层31毫米厚的聚乙烯泡沫，再下面是两层6.4毫米厚的天然橡胶。这种背衬材料配置有效地模拟了人体胸部和腹部在冲击条件下的响应。Das等人[19]对添加了剪切增稠流体（STF）的多层芳纶复合材料进行了标准化的动态刺穿测试，证明STF处理可以将穿透深度减少40%-68%，并显著提高芳纶织物的抗刺性能。Liu等人[20]对仿生芳纶树脂复合材料进行了标准化的动态刺穿测试，通过最大冲击力和穿透层来评估其抗刺性能。然而，大多数研究采用了基于NIJ标准的简化动态刺穿测试[13]、[14]、[21]、[22]、[24]。例如，Abtew等人[23]对具有不同编织图案和层数的芳纶织物进行了简化的动态刺穿测试，使用没有缓冲器的冲击器，并用通常用于弹道测试的均质Roma Plasteline #1粘土替换了标准背衬材料。他们的结果表明，织物结构和层数显著影响了穿透深度，但对创伤深度的影响有限。将实验测量与测试后的形态分析相结合的传统方法只能评估抗刺性能，无法阐明实时的动态抗刺机制。

一些研究人员尝试使用有限元方法模拟芳纶树脂复合材料的动态刺穿响应。Li等人[25]对单层纯芳纶织物在动态刺穿下的纱线运动和应力状态进行了数值研究，发现冲击力受到纱线密度的显著影响。Luo等人[26]开发了一个单层芳纶树脂复合材料的动态刺穿过程模型，在纱线接触界面处仅加入了树脂基体。他们对比冲击力和应力分布的结果表明，纱线的横截面几何形状和机械性能显著影响抗刺性能。这些研究通过省略冲击器的缓冲组件和背衬材料简化了模型。Barnat等人[27]对多层纯芳纶织物的动态刺穿过程进行了仿真分析，在冲击器中加入了缓冲器，同时将其他部分简化为刚性质量，并用单组分弹道粘土表示背衬材料。这导致仿真结果与实验结果之间存在差异。

目前关于多层芳纶树脂复合材料动态抗刺机制的实验研究还不够全面，而仿真研究往往采用过于简化的动态冲击系统和材料模型，无法准确再现现实世界的刺穿响应。此外，大多数计算研究仅关注单层材料，忽略了多层结构中的复杂相互作用。本研究根据NIJ标准0115.00对多层芳纶纤维树脂复合材料（MFC）进行了动态刺穿测试，建立了一个高保真度仿真模型，并研究了动态刺穿响应和抗刺机制。本文的结构如下：第2节（实验）详细介绍了MFC的制备、泡沫材料的机械表征和标准化的动态刺穿测试。第3节（数值仿真方法）介绍了网格化的冲击系统模型和材料本构模型。第4节（结果与讨论）首先验证了动态冲击模型，然后系统地分析了系统响应，包括能量传递、运动行为、变形过程、损伤演变、应力分布和失效模式，以阐明MFC的动态抗刺机制。第5节总结了本研究的主要发现。

节选内容

纤维复合材料的制备

纤维复合材料由两部分组成：纤维和基体。选择了广泛用于防护的芳纶平纹织物和环氧树脂的组合。所使用的织物是北京普凡防护科技有限公司的Twaron? CT709。环氧树脂是Wells Advanced Materials有限公司的AM8927AB型。原材料的详细信息见表1。纤维复合材料样品（FC）是通过真空辅助树脂转移成型（VARTM）制备的

建模

使用有限元软件建立了一个高度真实的冲击系统模型，如图5所示。背衬材料和冲击器中的各种泡沫材料分别进行了建模。冲击器的尺寸和质量分布与测试中的相同。冲击器的初始速度设置为4.9米/秒。力-时间曲线数据通过力传感器处的元素应力输出。背衬材料的底部完全受到约束。

动态刺穿模型验证

测试和仿真的动态刺穿结果如图8所示。从图8的曲线变化趋势可以看出，仿真中的冲击系统动态响应与测试非常接近。在仿真中，MFC最终被穿透了14层，这与测试结果一致。速度为0米/秒时的时间误差小于1.0%。最大位移误差小于1%。最大冲击力误差为4.0%。

图8a显示了

结论

本研究根据NIJ标准0115.00对多层芳纶树脂复合材料（MFC）进行了动态抗刺性能测试，建立了一个高保真度仿真模型，并研究了动态刺穿响应和抗刺机制，得出以下结论：

仿真刺穿冲击系统可以模拟人类手臂的刺穿力特性以及人类胸部和腹部的响应，并准确捕捉MFC在现实世界刺穿情况下的响应

CRediT作者贡献声明

刘宇航：撰写——原始草稿、验证、软件、数据整理。袁明正：撰写——审阅与编辑、验证、方法论。周宏远：资源获取、调查、概念化。张宏：方法论、资金获取、正式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。