目前,防弹衣及其材料应尽可能满足“硬度高、强度高、韧性高、密度低、成本低”的性能要求。然而,至今还没有任何一种均质单相材料能够同时满足以上要求。而蜂窝型夹层复合材料防弹系统在防弹耗能和抗穿透性方面具有显著优势,在军事和民用领域已得到广泛应用。本研究以减轻对人体的间接伤害、保护人体生命安全为目的,经过综合比较和分析,为寻求同时满足轻质高强、抗侵彻及吸能效果好、灵活性高等要求的新型防弹服材料系统提供了研究基础和理论依据。课题首先通过复合材料体系选取,结构创新设计,利用ANSYS/LS-DYNA软件对弹丸的侵彻过程进行数值模拟,探究了不同蜂窝结构角度和尺寸对子弹抗侵彻能力的影响。同时,利用3D打印快速成型技术制备了所设计的内凹型蜂窝结构,通过准静态及不同应变率下(800 s^-1、1100 s^-1、1400 s^-1)的动态压缩实验,探究不同角度的力学性能和吸能特性之间的关系,验证了模拟结果的正确性。主要研究内容及其成果为以下几点:1.基于陶瓷-金属夹层复合材料,本课题利用碳化硼陶瓷的碎片使弹丸受挫、毁坏,再利用中间具有负泊松比效果的钛合金蜂窝结构的充分吸收弹丸及陶瓷碎片的剩余能量,模拟子弹侵彻过程,达到蜂窝夹层复合材料吸能子弹的冲击能和崩落能。2.借鉴自然界传统的蜂窝结构,采用Solidworks软件设计出一种具有负泊松比效应的内凹蜂窝结构,确定了不同蜂窝结构的宏观尺寸与单元结构尺寸。并在保持防护基板总体尺寸一定的情况下,通过改变防护基板中单元结构的角度和尺寸对内凹蜂窝结构进行一定的优化设计,从而获取内凹蜂窝结构的优化参数。3.通过在Hypermesh中建立有限元模型,利用ANSYS/LS-DYNA对弹丸的侵彻过程进行了数值模拟分析计算。将计算的数据导入后处理软件LS-PrePost中进行处理。通过对比弹丸破损情况、靶板的变形、弹丸的剩余动能以及能量吸收情况,研究了内凹蜂窝的不同角度和不同尺寸对复合夹层防弹系统防弹性能的差异。通过模拟得出角度为36°,单元结构的高为3.9 mm、宽为2.58 mm,高宽比为1.51的优化参数。4.通过准静态压缩力学试验,探究具有不同角度的内凹蜂窝结构的力学响应特征及吸能特性,获取准静态压缩的应力-应变曲线。通过分析实验数据以及图表,得出角度为36°、48°、60°、72°蜂窝结构的压缩模量依次为:36.59 MPa、30.10 MPa、31.51 MPa、32.02 MPa;屈服强度依次为:56.73 MPa、45.65 MPa、52.41 MPa、54.44 MPa。对比不同角度蜂窝结构的力学性能和吸能效果的差异,36°为最优角度,与模拟的结果相吻合。5.通过动态压缩力学试验,探究具有不同角度的内凹蜂窝结构的力学响应特征及吸能特性,获取准动态压缩的应力-应变曲线。通过分析实验数据以及图表,角度为36°的内凹蜂窝结构的动态屈服强度高于角度为48°、60°、72°四组角度的内凹蜂窝结构,表明在动态压缩载荷作用下其抗变形性能最强。同时,与其他四组角度的内凹蜂窝结构相比,在应变的值为0-10%的范围内,角度为36°的内凹蜂窝结构吸收的能量最多,吸能效果最优,进一步验证了模拟的准确性。