预制破片对2种姿态人体目标的毁伤效果研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:符振荣()男硕士研究生:.通信作者:王玉帅()男(满族)博士讲师:.:./.预制破片对 种姿态人体目标的毁伤效果研究符振荣樊文欣李瑞青杨连新王玉帅陈 燕(.中北大学 机电工程学院太原 .中北大学 机械工程学院太原.中国人民解放军 部队 吉林 白城.陆军装备部驻北京地区军事代表局某军事代表室 太原)摘要:为能够精确地评估预制破片对人体目标的毁伤效果对破片场的飞散过程进行数值模拟利用 编程提取破片相关信息计算得到破片射击迹线据此建立战斗部 人体目标交汇模型确定每枚破片命中的人体部位利用 准则计算出失能概率 将地面区域网格化按照一定距离步长改变人体模型位置重复上述计算流程得到每个网格位置处的失能概率构成毁伤矩阵通过毁伤矩阵计算得出有效毁伤面积 设置不同的战斗部落角、落速、炸高研究预制破片对 种人体姿态的毁伤效果 结果表明:在落角 采用蹲姿的毁伤面积减少了 在落角大于 蹲姿的腿部及头部被击中数明显低于站姿在落速 /相比于站姿蹲姿的毁伤面积降低 破片击中数也始终低于站姿在炸高 .蹲姿的毁伤面积降低 破片击中数始终低于站姿 在战场上战斗人员采用蹲姿一定程度上可以降低被破片击中的概率降低战斗人员的失能概率减少毁伤面积关键词:预制破片 准则毁伤矩阵失能概率人体模型本文引用格式:符振荣樊文欣李瑞青等.预制破片对 种姿态人体目标的毁伤效果研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:./.:引言近年来地区冲突频发战争中的人员损伤问题突出研究武器对人员的毁伤效果对武器的威力评估及战场火力调控、精确打击目标有重要意义武器攻击地面目标通过毁伤函数计算得到毁伤概率分布称为毁伤矩阵 文献 介绍了几种毁伤函数丁贵鹏等采用 毁伤函数结合 法构建毁伤矩阵对杀伤榴弹的效能进行评估 田浩成等提出了改进的毁伤矩阵基于 人体失能准则计算出更加准确的失能概率分布 年美军导弹实验室的 和 对人体躯干解剖截面进行了易损性分析结合创伤弹道学的研究拟合出了 准则已经广范应用于美军的人员目标毁伤效能评估程序 理论上 准则主要用于单人目标失能概率的计算针对地面集群目标国内主要采用杀伤面积为指标进行评估杀伤面积是杀伤概率的加权面积 杀伤概率的计算通过统计每个目标网格内的有效破片个数代入公式计算计算过程比较简单相比于 准则没有考虑破片的击中部位、破片速度、破片质量以及不同躯体部位的易损程度等因素的影响目前国内对毁伤矩阵的研究很少未见有论文文献通过毁伤矩阵的方法去研究预制破片对不同人体姿态的的毁伤效果为此本文中详细阐述了 失能准则及毁伤矩阵的构建方法以预制破片作为研究对象设置不同落角、炸高与落速改变人体姿态包括站姿与蹲姿对比分析预制破片对不同人体姿态的毁伤效果 失能概率计算.单枚破片命中 失能准则认为人体的生理功能是由各个器官相互协调、配合实现的 由于每个器官功能不同破片击中不同人体部位所造成的损伤程度不同导致的失能程度也不同所谓的“失能”是指:战场人员在规定时间内失去执行规定战斗任务的能力即丧失战斗力 美军分为防御 、进攻、进攻 等这表征执行不同战斗任务人员在规定的丧失战斗力的时间内被特定(质量、形状、速度)破片命中后丧失战斗力的程度根据人体创伤弹道学的研究 失能准则根据不同损伤部位在概率计算中赋予不同的系数同时考虑单个破片的质量、速度准确计算出人体的失能概率 其具体表达式为:(/)()式()中:为破片质量单位为格令 为破片击中人体时的速度单位为英尺每秒、为不同损伤部位下的系数如表 所示 为造成失能的阈值.多枚破片命中战斗部爆炸产生破片群对人体的伤害可能包括许多枚破片会命中人体的不同部位需要计算多枚破片对人体造成的总失能概率 假设每一枚破片的运动过程和造成的失能情况独立 计算多枚破片对人体的失能概率计算公式为:()()式()中:为第 枚破片命中人体造成的失能概率可通过式()计算得到为多枚破片导致的总失能概率表 为防守 对应的、系数下面的研究以防守 为条件进行计算符振荣等:预制破片对 种姿态人体目标的毁伤效果研究表 准则系数 部位防守 头颈部躯体.胸部躯体.腹部躯体.盆骨躯体.手部躯体.腿部躯体.构建毁伤矩阵.计算流程计算流程如图 所示图 计算流程框图.破片飞散数值模拟战斗部结构如图 所示口径为 包括预制破片、内衬、外壳、上下端盖、装药、空气域 预制破片材料采用 号钢共 层每层 个破片共 个破片 使用 流固耦合的方法采用顶端中心起爆图 战斗部结构及仿真模型.静爆破片场如图 所示分布呈灯笼形速度区间为 /图 破片场分布.人体模型如图 所示建立可调节姿态的人体模型站姿时身高为 士兵受到炮火袭击时常采用下蹲姿态和双手抱头的动作保护身体不受伤害 因此设置蹲姿、站姿 种姿态蹲姿时双手放于后脑处做保护头部的动作图 人体模型.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./人体躯干划分如图 所示参照 准则将人体划分为头颈部躯体、胸部躯体、腹部躯体、盆骨躯体、手和腿等 个部分图 人体躯干划分示意图.破片射击迹线破片在空气中受到空气阻力和重力的作用 轴负方向表示重力的方向根据质点运动方程可以得到破片的运动方程为:()()()()式()中:为破片速度 为空气衰减系数 为重力加速度 为时间从 仿真结果中提取破片的初始坐标、速度等参数如图 所示经过坐标变换得到地面坐标系下的破片参数代入式()计算采用龙格库塔法编程求解得到随 变化的坐标 及速度.战斗部 人体目标交会.坐标转换建立如图 所示 与 坐标系以战斗部顶端中心爆点为原点 建立战斗部坐标系 为点 在地面的投影以 为原点建立地面坐标系 点在地面坐标系 的坐标为()轴与 轴相交角度为落角 平面与 平面在同一平面 因此战斗部坐标系绕 轴逆时针旋转 再平移距离 即可得到地面坐标系旋转矩阵 如下:()假设在战斗部坐标系下破片的坐标为()经过旋转 角度沿 轴负方向平移距离 转换为地面坐标系的坐标()表达式为:()图 弹体坐标系与地面坐标系示意图.目标区域网格化如图 所示以 为原点在地面设定目标区域将所有破片的射击迹线包括在内尺寸为 将目标区域划分为 的网格 为了划分过程简便设置 为 的整数倍为 的整数倍 人体在立姿时所占地面面积约为.设置 和 为.与 为.图 目标区域网格示意图.人体目标设置使用 在人体表面设置二维网格以 明码的 格式导出网格模型 格式是用三角面元的集合来表现几何模型 在 码文件中包含有三角面元的顶点信息通过 编程读取使用 函数将几何模型重构确定目标区域、和网格尺寸、后将网格尺寸作为步长移动人体至每个网格内如图 所示结合破片射击迹线构建战斗部人体目标交会模型 例如在落角为炸高为.落速为/射线与人体的交会如图 所示符振荣等:预制破片对 种姿态人体目标的毁伤效果研究图 人体目标设置示意图.图 射线与人体交会示意图.击中部位识别识别破片击中部位的问题本质上是射线和三角形面元的相交问题 根据 年 提出的方法空间中的一条射线假设起点为 方向向量为 则射线上的任意一点 可以表示为:()类似的对于 个顶点为、的空间三角形如图 所示其中任意一点 可表示为:()()式()中:与 为、的权重 为 的权重 如果 在三角形内即满足 图 任意点位置示意图.因此有如下方程其中、为未知数:()()提取、可得:()令 可得:()使用克莱姆法则可解得:()写成矩阵形式有:()根据向量混合积原则有:()()()()()可推得:()令 可得:()通过 编程计算出、如果满足 即射线与空间三角形相交.有效毁伤面积目前大部分研究通常以杀伤面积做指标评估毁伤效果与计算杀伤面积的方法类似 年 提出以有效毁伤面积()表征破片战斗部的毁伤效果计算公式为:()()式()中:()为每个网格处的失能概率、为毁伤区域范围 计算结果.不同落角下 种人体姿态的毁伤效果人体姿态为蹲姿和站姿炸高为.落速为/计算如表 所示的战斗部终点工况对比研究 种人体姿态的毁伤效果 该战斗部主要用于步枪榴弹在一定高度攻击掩体后的敌人时可能会使用平射使落角接近 因此设置落角为 依次递增兵 器 装 备 工 程 学 报:/./表 不同落角下终点工况 编号高度/落速/()人体姿态落角/().蹲姿、站姿 人体在蹲姿状态站姿规律类似如图 所示随着战斗部落角从增加至毁伤面积从.增加至.落角在、毁伤面积相差不大如图()所示对应的破片击中总数量略有波动落角大于 时击中人体的破片总数明显增加毁伤面积也显著上升 蹲姿与站姿对比如图()与图 所示整体上站姿的毁伤面积要大于蹲姿在落角 与 站姿的毁伤面积与蹲姿相差不大破片击中总数量无明显差距落角大于 时站姿的毁伤面积要高于蹲姿破片击中总数量也明显高于蹲姿 如图()所示落角在 由于蹲姿下的腿部暴露面积显著减少腿部中弹数明显减少 手部采用了保护头部的动作在落角为 由于 部分三角面元重叠较多计算误差较大头部中弹数上下波动落角大于 时相比站姿蹲姿下的头部中弹数有明显减少图 不同姿态下的毁伤面积曲线.图 不同姿态下的破片击中数量.不同落速下 种人体姿态的毁伤效果人体姿态为蹲姿和站姿设置炸高为.落角 的有效破片较多毁伤面积也较大设置落角为 改变战斗部落速计算如表 所示的战斗部终点工况对比研究 种人体姿态的毁伤效果表 不同落速下终点工况 编号高度/落速/()人体姿态落角/().蹲姿、站姿 人体在蹲姿与站姿状态如图 所示随着战斗部落速增加毁伤面积先下降后上升图 不同姿态下的毁伤面积曲线.符振荣等:预制破片对 种姿态人体目标的毁伤效果研究 从 /战斗部落速方向与战斗部轴线重合增加落速后破片飞散方向趋向于轴线飞散角减小如图 所示对应的破片击中数减少有效毁伤面积减少 落速大于 /时飞散角减小对应的破片击中数继续减少由于 准则考虑了破片动能的影响破片动能的增加抵消了飞散角减小的影响导致毁伤面积增大 蹲姿与站姿对比在 种落速工况下蹲姿的毁伤面积始终低于站姿对应的头部、腿部和总的破片击中数也始终低于站姿图 不同姿态下的破片击中数量.不同炸高下 种人体姿态的毁伤效果人体姿态为蹲姿 与 站 姿 设 置 落 角 为 落 速 为/改变炸高计算如表 所示的战斗部终点工况对比研究 种人体姿态的毁伤效果表 不同炸高下终点工况表 编号高度/落速/()人体姿态落角/().蹲姿、站姿 不同姿态下的毁伤面积曲线如图 所示在蹲姿状态高度从 .毁伤面积先上升后下降在高度.毁伤面积为最大.从.炸高增加毁伤面积增大大于.后满足动能标准的破片减少(见图)对应的击中数也减少毁伤面积下降 在站姿状态高度从 .毁伤面积先上升后下降在高度.毁伤面积为最大.人体 种姿态对比整体上蹲姿的毁伤面积低于站姿头部、腿部和总的破片击中数也始终低于站姿 由于蹲姿的人体高度比站姿降低约 蹲姿的毁伤面积峰值提前至炸高.图 不同姿态下的毁伤面积曲线.图 不同姿态下的破片击中数量.结论本文中通过构建毁伤矩阵的方法以 种姿态的人体为目标在不同落角、炸高、落速下研究预制破片战斗部对 种人体姿态的毁伤效果得到如下结论:)随着战斗部落角的增加 种姿态的毁伤面积和破片击中总数逐渐增大落角 时达到最大与落角 相比毁伤面积约.倍破片击中总数约.倍 采用蹲姿整体比站姿的毁伤面积减少了)随着战斗部落速的增加 种姿态的毁伤面积先减小兵 器 装 备 工 程 学 报:/./后增加而破片击中数逐渐下降 采用蹲姿整体比站姿的毁伤面积低 破片击中总数低)随着炸高的增加毁伤面积与破片击中数先上升后下降蹲姿的毁伤面积峰值对应的炸高降低约 整体比站姿的毁伤面积低约 破片击中总数低 参考文献:.():.():.:./.:.丁贵鹏陶钢庞春桥等.基于卡尔顿毁伤函数的杀伤榴弹效能评估模拟.兵器装备工程学报():.():.田浩成卢芳云李志斌等.基于改进毁伤矩阵的人员目标毁伤效能评估.兵器装备工程学报():.():.张正飞.轻武器弹药威力评定标准的分析和改进.太原:中北大学.:.应国淼董桂旭肖师云.基于射击线技术的杀爆战斗部杀伤面积计算.兵器装备工程学报():.():.王建民.小破片伤的特点及救治研究进展.实用医药杂志():.():.王浩喆.爆炸事故中破片伤害准则综述.安全、健康和环境():.():.洪豆郑宇李文彬等.破片战斗部杀伤面积影响规律研究.兵器装备工程学报():.():.黄正祥祖旭东.终点效应.北京:科学出版社.:.刘建斌夏金刚缪前树等.航空火箭杀爆弹动态爆炸威力仿真分析.兵器装备工程学报():.():.肖师云冯成良刘俞平等.基于杀伤面积的杀爆战斗部总体参数优化.兵工自动化():.():./.():.张浩宇张树凯程立等.杀伤爆破战斗部起爆方式对地面目标杀伤威力的影响.兵工学报():.():.科学编辑 屈可朋 博士(西安近代化学研究所 研究员)责任编辑 唐定国符振荣等:预制破片对 种姿态人体目标的毁伤效果研究