步枪弹侵彻背部穿硬防护人体靶标钝击效应研究.pdf
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1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:录用日期:基金项目:国家自然科学基金项目()军委科技委基础加强计划技术领域基金项目()国防科技重点实验室基金项目()作者简介:汪萌()男硕士研究生:.通信作者:温垚珂()男博士副教授:.:./.步枪弹侵彻背部穿硬防护人体靶标钝击效应研究汪 萌温垚珂徐 诚许 倞(.南京理工大学 机械工程学院 南京 .中国兵器工业第 研究所 北京)摘要:针对枪弹侵彻穿防弹衣人体背部产生脊柱脊髓钝性损伤建立了 式.步枪弹侵彻 级/防弹插板的数值模型采用 本构和基于 二次开发的 本构分别模拟 陶瓷和 层合板开展了.步枪弹侵彻 级/防弹插板的数值
2、模拟通过基于高速摄影的弹道实验结果对比验证了数值模型的准确性基于枪弹侵彻防弹插板的数值模拟结果开展了.步枪弹以/入靶速度侵彻背部穿硬防护人体躯干靶标的数值模拟明确了步枪弹击中防弹衣后压力波在肌肉 脊柱内的传导规律还原了枪弹侵彻过程中人体典型器官(心、肝、肺、胃等)的应力波传递过程 结果表明:人体背部在枪弹钝击作用下会在脊椎椎骨上产生瞬时高应力可能导致椎骨骨折、椎间盘突出和脊柱不稳定致伤点 椎体后方脊髓最大应力为.可能导致脊髓改变对脊髓上应力与加速度线性回归分析表明压力与加速度呈正相关关键词:钝性损伤防弹插板数值模拟步枪弹人体躯干本文引用格式:汪萌温垚珂徐诚等.步枪弹侵彻背部穿硬防护人体靶标钝击
3、效应研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):././.().:引言现代战场上防弹衣防护性能不断增强枪弹穿透防弹衣进入人体组织造成损伤的情况越来越少但是枪弹侵彻防弹衣产生的冲击仍会造成较大的瞬时防弹衣背后鼓包()将冲击能量通过防弹衣传递给人体这种非穿透性损伤称之为防弹衣后钝性损伤()防弹背心通常包括前胸后背 片防弹插板既往研究大多注重于胸部中弹后的力学传导 对背部穿防弹插板后钝性损伤产生的应力波在生物体内的传导规律研究较少 开展步枪弹侵彻背部穿硬质防弹插板人体躯干靶标的研究对枪弹钝击伤的医学治疗和防弹衣的改进设计具有指导意义 等使用不同杀伤元在不
4、同工况下对胸廓靶标进行了钝性冲击试验与低速碰撞试验结果进行对比证明了冲击的持续时间和肋骨的变形程度是影响骨骼是否受到钝击伤的关键因素 张波等用不同速度的步枪弹打击背部带防弹衣的长白猪得到了步枪弹击中背部复合防弹衣时在脊柱区和颅内可产生压力波和加速度导致脊柱脊髓钝性损伤 唐刘建等建立了“明胶 胸廓”仿生人体躯干靶标开展手枪弹侵彻有防护人体靶标的试验研究获得了人体典型位置受到枪弹钝击时心脏和左肺的动态压力特性与试验方法相比数值计算方法可以对枪弹侵彻戴防护人体靶标进行全物理、全过程的模拟从而获得整个侵彻过程中的物理图像和各种力学响应规律更好地揭示杀伤元的侵彻机理和终点效应 徐诚等建立了步枪弹高速撞击
5、带硬质防护的人体靶标计算模型分别模拟了不同枪弹钝击作用下人体靶标的瞬态响应过程获得了与试验在量级上相当的结果 等使用二维有限元胸部模型模拟胸部碰撞所得到的力 位移关系与实验基本一致通过对模拟结果分析建立了预测肋骨骨折损伤的对数回归方程 孙非等以手枪弹不同的入靶速度钝击带软防护人体上躯干分别打击心脏、肝脏、肺脏和胃 个部位定量地揭示了手枪弹在不同入靶速度和位置下钝性冲击带防弹衣的人体产生损伤的压力传递机制及入靶参数对钝击效应影响规律 郭泽荣等建立了人体躯干模型模拟了手枪弹对带复合防弹结构的人体躯干的钝性损伤过程研究了防弹衣后钝性损伤的产生机制和人体躯干的力学响应并根据相应的标准和损伤模型得出了人
6、体损伤程度本文中建立了 式.步枪弹侵彻背部穿 级/防弹插板(超高分子量聚乙烯防弹板 陶瓷防弹板)的人体靶标数值模型检测了致伤点()附近椎体、椎间盘和脊髓应力变化明确了致伤后压力波在肌肉 脊柱内的传导规律还原了枪弹侵彻过程中人体典型器官(心、肝、肺、胃等)的应力波传递过程揭示了枪弹侵彻穿硬防护人体靶标钝性损伤原理 步枪弹侵彻背部穿防弹插板人体靶标数值计算模型.人体模型人体躯干有限元模型的构建基于日本 假人模型包括皮肤、内脏器官(心脏、肝脏、肺和胃等)和骨骼(胸骨、肋骨和脊柱等)人体模型各器官有限元网格模型如图 所示 本文中采用如表 的线弹性材料模型 模拟肋骨、肋软骨、脊柱、肌肉和椎间盘的力学特性
7、肺脏、心脏、肝脏和胃采用如表 的 超弹性本构模型来模拟力学性质通过 级数定义的线性粘弹性来体现其应变率效应图 人体躯干模型.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./表 线弹性组织材料参数 器官密度/()杨氏模量/泊松比 肌肉.肋骨.肋软骨.脊柱.椎间盘.表 粘超弹性材料参数 密度/()阶数.防弹衣模型防弹插板由河北卫都安全防护装备有限公司生产将其简化为 陶瓷和 层合板 部分组成的有限元模型 陶瓷尺寸为 层合板尺寸为 防弹衣半径为 仅对中心陶瓷块()进行网格加密的建模方式其中最小网格尺寸为.防弹插板有限元模型如图 所示 陶瓷和 层合板均采用 单元 层 合 板 层 间 粘 结 采 用 零 厚 度 的
8、 单 元()模拟 材料参数如表 将 层合板分为 层单元 层为一个复合层每 个复合层间插入 层 粘结单元 其中陶瓷块共有 个单元 层共有 个单元粘结层有 个单元 不同陶瓷块及陶瓷块与 层合板间采用粘结滑移的方式连接图 防弹衣模型.由于 纤维束在硬质防弹衣中为正交铺设具有正交各向异性特性当、为弹性主方向时其应力应变关系可简化为()式()中:、为、主方向的弹性模量、为泊松比、为剪切模量表 材料参数 参数数值密度/().杨氏模量/杨氏模量/杨氏模量/泊松比.泊松比.泊松比.剪切模量/剪切模量/剪切模量/横向压缩强度/横向拉伸强度/纵向压缩强度/纵向拉伸强度/对于 层合板中的层间粘结作用采用零厚度的 单
9、元层进行建模使用基于双线性 本构模型失效采用二次名义应力单元起始失效准则损伤演化采用()准则设置 系数为 层本构参数如表 所示、和 为刚度、和 为损伤起始强度、和 为不同失效模式下的断裂能陶瓷材料采用高速侵彻条件下的断裂损伤模型 材料参数见表 所示其中:为材料密度 为剪切模量、为断裂参数、为状态方程参数 为最大拉伸强度为 弹性极限时的压力为 弹性极限时的应力 和 分别表示未损伤和损伤时的最大应力汪 萌等:步枪弹侵彻背部穿硬防护人体靶标钝击效应研究表 粘结层的材料参数 参数数值参数数值/()/././()./()/()表 陶瓷的 本构参数 参数数值参数数值/()./././././././.子弹
10、模型 式.步枪弹由铜被甲、铅套和钢芯 个部分组成 弹丸的有限元网格采用 单元共划分 个单元 由于弹丸攻角对防弹衣鼓包高度和宽度影响很小设定弹丸运动方向为垂直于防弹衣入射攻角 当子弹着靶速度为 /弹着点位于脊椎 附近时枪弹冲击产生的钝击效应会造成脊髓和中枢神经系统的损伤 针对步枪弹高速冲击人体时的脊柱脊髓钝性损伤数值模拟枪弹钝击其他经典位置时对于脊柱脊髓无显著影响故选择弹着点位于脊柱 椎体 建立 式.步枪弹以 /着靶速度侵彻背部穿防弹插板人体靶标 椎体后方的数值模型(见图)为减少计算时间从子弹与防弹衣即将接触开始计算图 .步枪弹侵彻背部穿硬防护人体靶标有限元模型.材料模型可以较好地反映大部分金属
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