正交铺层超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维复合材料具有优异的抗侵彻性能，并已在防护工程领域得到广泛应用，但在如何在纤维尺度上探究其抗侵彻机制仍然具有挑战性。目前采用的宏观均匀化有限元（FE）模型在捕捉单根纤维大变形和失效方面存在局限，无法准确模拟材料在不同弹丸侵彻下的失效机理。为了弥补这一缺陷，如图1所示，本研究提出了一种新颖的微观-宏观并发多尺度数值方法。该有限元模型由靠近被侵彻单元的微观建模区域和较远处的宏观建模区域组成，并采用嵌入式单元法（EEM）来模拟纤维与树脂之间的相互作用。仿真与实验结果的对比说明该多尺度模型能够同时准确捕捉到复合材料的宏观和微观变形失效特征。研究表明，UHMWPE复合材料在微观尺度的侵彻机制主要包括纤维横向位移和纤维断裂，而纤维断裂是由剪切或拉伸失效引起的，具体取决于弹丸侵彻深度和弹头形状。所提出的方法有助于UHMWPE复合材料的设计与开发。

图1 微观-宏观并发式多尺度模型的建立与验证分析

南京航空航天大学航空学院卢天健教授团队开展了正交铺层UHMWPE复合材料抗侵彻多尺度模型的开发。相关工作于2025年以“Multi-scale finite element modeling of cross-ply UHMWPE fiber composites under ballistic impact”为题发表在复合材料Top期刊《Composite Structures》。

研究人员借助扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜，分别测量观察了UHMWPE纤维和正交铺层复合材料的微观结构（见图2(a)）。此外，使用分离式霍普金森拉杆装置测试UHMWPE纤维在高应变率下的拉伸性能（见图2(b)、(c)）。依据得到的正交铺层UHMWPE复合材料板的尺寸和材料特征，建立了如图2(d)所示的多尺度模型。

图2 正交铺层UHMWPE复合材料的微观测量与材料测试

与二级轻气炮实验得到的入射-剩余速度数据对比结果显示：多尺度模型在预测不同厚度UHMWPE复合材料板在不同弹头形貌的弹丸（平头弹、半球头弹和锥头弹）下的弹道性能时都表现出了较高的精度（见图3(a)、(b)）。图3(c)中展示的高速摄影与仿真结果的对比也体现了该多尺度模型相较传统均质模型所具有的优势：如基体失效、纤维断裂等微观失效细节都可以被准确捕捉。这些优势可以使得研究人员更好的描述复合材料在侵彻、爆炸等大变形失效过程中的力学性能与变形吸能机理。

图3 多尺度模型预测的复合材料板弹道性能与实验对比

如图4(a)、(b)所示，研究人员对比了不同复合材料板在不同弹丸侵彻下失效纤维数量沿厚度方向的变化。结果表明相同侵彻速度下，平头弹侵彻下的复合材料板失效纤维的数量要远多于半球头弹和锥头弹打击时的情况，三种弹丸所造成的失效纤维数量与其侵彻性能成正比。进一步对纤维失效机理的分析发现，平头弹下UHMWPE纤维的失效机理会随侵彻深度的增加发生由剪切破坏至拉伸破坏的转变，而半球头弹和锥头弹下下UHMWPE均因材料达到拉伸强度而失效。这是因为平头弹侵彻时弹丸下方材料发生应变集中不同，半球头弹和锥头弹特殊的弹头形貌所引起的纤维横向变形降低了应变大小，最终避免了局部剪切失效。虽然现有研究已充分说明纤维拉伸变形失效的吸能效率要远高于剪切变形失效，但与平头弹的侵彻结果相比，半球头和锥头弹侵彻所导致的失效纤维数量要少得多且变形挠度较小，因此复合材料板的防护性能有所下降。

图4 正交UHMWPE复合材料板在不同弹丸侵彻下的变形机理分析

论文第一作者为西安交通大学航天航空学院博士研究生赵淳铮，通讯作者为武汉纺织大学张瑞副教授和南京航空航天大学卢天健教授