步枪弹侵彻背部穿硬防护人体靶标钝击效应研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期: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 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材料在受到冲击时的变形情况在冲击动力学领域得到了广泛应用可以较好地反映侵彻过程中弹丸的变形情况因此采用该材料模型描述弹头各个部分的本构关系 其本构关系的表达式如下()()()()其中:、为需要试验测定的参数为有效塑性应变/为无量纲塑性应变率为参考应变率()/()为无量纲温度为室温为熔化温度 子弹材料模型参数如表 所示表 子弹的 本构参数 /()/被甲.铅套.钢芯.试验结果和讨论.防弹插板模型验证为了给数值计算模型提供校验数据本研究中搭建了如图 所示的弹道测试系统开展了 式.普通弹侵彻 级防弹插板的弹道测试 枪械膛口距防弹插板 试验使用高速摄像机拍摄防弹插板 图像再通过数据处理软件得到防弹插板背面在侵彻过程中的 变化数据 试验过程中红外触发器放置于膛口附近为高速摄像机提供触发信号测速器测量弹丸初速 灯提供充足的光线确保画面清晰兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 弹道测试系统组成.高度对钝击损伤严重度有显著影响 式.步枪弹以 /的入靶速度侵彻 级防弹插板()的试验和数值模拟得到的防弹插板 最大值位置高度曲线对比如图 所示图 试验和仿真的鼓包高度的对比.从图 中可以看出 前仿真曲线略低于试验曲线但两者一致性较好 试验和仿真的 最大值高度曲线在前 内迅速增大到约.之后增长速度逐渐变慢在 和 时试验和仿真的 分别达到最大值.和.随后 缓慢发生回弹在 时试验和仿真获得的 高度分别为.和 在、时数值分析与试验的 高度相对误差分别为.、.和.在 后数值分析与试验的 高度相对误差在 以内 在数值分析中为防止单元过度变形保证计算顺利进行设置了单元删除而在侵彻发生的初期较多的 陶瓷单元及弹丸单元发生删除造成了整个侵彻体质量的损失另外采用牵引分离准则的零厚度 单元是一种唯象本构基于单元失效模拟层合板脱胶分层与实际力学过程存在一定差异以上 种因素是产生误差的主要原因 弹丸侵彻硬质防弹插板后试验和仿真弹芯变形情况和靶板损伤情况对比如图当弹丸穿透陶瓷后弹芯头部出现“蘑菇头”状变形数值模拟结果的弹着点周围出现了数条不规则裂纹与试验现象基本相似图 弹芯变形情况和靶板损伤情况对比.子弹侵彻背部穿防弹插板人体靶标计算结果.枪弹侵彻背部带防弹衣人体靶标时的加速度和速度变化步枪弹撞击下防弹插板的破坏与变形过程如图 所示在 前弹丸与陶瓷碰撞弹丸速度迅速下降加速度数值不断增加陶瓷板受到弹体撞击破碎并出现裂纹形成陶瓷锥陶瓷锥不断扩大在 左右陶瓷块完全破碎弹芯墩粗变形速度显著下降弹头继续侵彻超高分子量聚乙烯背板冲击波同时向弹道方向和周向传播使背板出现鼓包弹丸下降速度变缓在 后 背板与人体产生接触随后 高度继续增加直到弹丸速度为零在 后 高度达到最大并开始回弹.脊柱、椎间盘、脊髓应力的动态响应步枪弹侵彻背部穿 级防弹插板人体靶标时脊柱和椎间盘的应力传播过程如图 所示随着 高度的增加位于弹着点后方的 脊椎上首先出现高应力区域并在 时达到第 次峰值.随后应力波沿着椎间盘上下传递在 时 和 锥体上最高应力大小几乎相同均在.左右在 时已经传递到 锥汪 萌等:步枪弹侵彻背部穿硬防护人体靶标钝击效应研究体上此时应力达到第 次峰值.在 时应力已经上下传递到 锥体 椎间盘中心髓核处应力随着时间的增长出现高应力区域周围的应力逐渐变小 从应力角度推断穿防弹插板人体背部在枪弹钝击作用下会造成脊柱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使人体背部受到伤害图 子弹侵彻过程.图 脊柱不同时刻的等效应力分布.步枪弹侵彻背部穿 级防弹插板人体靶标时脊髓的应力传播过程如图 所示由于脊柱对于脊髓的保护在 时仅 后方部分的脊髓出现微小应力 在 时整个脊髓上方和下方均出现应力波动 在 时脊髓上的最大应力较 时增大了一个数量级 在 时 后方的脊髓高应力区域达到最大应力.图 脊髓不同时刻的等效应力分布.测量弹着点后方脊髓某点的加速度和应力如图()所示在 后应力和加速度同时开始增加在 时分别达到最大加速度 /和最大应力 将得到的加速度和应力数值进行处理图()的结果显示应力与加速度正相关 加速度(防弹衣被击中造成机体单位时间内的形变)是导致背部穿防弹衣后钝性损伤的主要力学因素加速度的峰值与组织损伤严重程度密切相关脊髓损伤程度主要与致伤区域的应力大小有关 从应力传播的角度来看瞬时高应力可能造成脊髓改变部分应力沿着脊髓传递到脑组织可能导致双侧后肢瘫痪以及认知能力改变图 脊髓上应力与加速度变化.肌肉的动态响应步枪弹侵彻背部穿 级防弹插板人体靶标时背部肌肉的应力传播过程如图 所示在 时背部肌肉与 板发生接触此时接触部分应力急剧增大最高应兵 器 装 备 工 程 学 报:/./力为 在 时背部肌肉出现了最大应力大小为 之后两者的接触部分不断变大应力波沿着接触部分向四周传递应力斑的面积不断增大 在 时应力斑的面积为 肩胛骨后方也出现应力斑图 肌肉的应力分布.背部压力波传递过程枪弹侵彻时人体肌肉脊柱压力波传递过程如图 所示在 时压力波从人体背部肌肉传递到脊柱 锥体 在 时压力波沿着脊柱向上传递到 锥体 在 时压力波沿着脊柱向下传递到 锥体 在 时压力波已经传递到整个脊柱 压力波传递过程中高压力区域始终集中在弹着点后方由肌肉传播到脊柱最大压力大小随时间的增加不断下降图 肌肉和脊柱上的压力波传递过程.主要内脏器官的动态响应枪弹钝击过程中人体主要器官应力场演化过程如图 所示随着 复合板变形增大 复合板变形将撞击产生的应力波传递到人体从弹着点由近及远向四周扩散从图 中可以看出在 时内脏的高应力区域主要分布在内脏与主动脉和肺动脉连接的部分此时最大应力为.在 时肺、胃和动脉上的应力出现波动并呈下降趋势 在 时肺、胃和动脉上的应力下降到.在 时下降到.高应力区域由内脏与主动脉和肺动脉连接的部分向外传播由于脊柱对胸腔的保护内脏的应力远小于肌肉和脊椎图 器官的应力分布.结论本文中构建了包含脊髓的高精度人体躯干生物力学模型编写了基于 失效准则和渐进退化模型的防弹衣材料本构模型开展了 式.步枪弹对背部穿硬防护人体躯干靶标的钝击效应研究 由于有限元计算与实际情况不完全一致仿真分析得到的钝击效应结果有待进一步试验验证 从生物力学角度得到如下结论:)脊椎 椎体上最大应力达到.可能导致椎骨骨折脊柱椎体和椎间盘上产生瞬时高应力会导致椎间盘突出和脊柱不稳定)弹着点后方脊髓最大应力为.可能导致脊髓改变导致双侧后肢瘫痪以及认知能力改变对弹着点后方脊髓特征点上应力和加速度进行线性回归分析表明压力与加速度大小正相关)由于脊柱对胸腔的保护内脏的应力远小于背部肌肉和脊柱高应力区域首先出现在内脏与血管连接的部分随后向外传播汪 萌等:步枪弹侵彻背部穿硬防护人体靶标钝击效应研究通过本研究对背部穿防弹衣后人体钝性损伤特点有更加深刻的认识为背部防弹衣后钝性损伤的诊治和预后判断提供实验依据同时还可为致伤后作战人员的作战能力的评估提供依据 枪弹高速冲击人体背部其他经典位置时对其他器官受到的损伤仍需探索研究参考文献:.():.():.():.():.():.():.张波赖西南康建毅等.步枪弹击中背部防弹衣后脊柱脊髓钝性损伤的生物力学机制.中华创伤杂志():.():.唐刘建温垚珂薛本源等.手枪弹侵彻有防护仿生人体躯干靶标试验研究.振动与冲击():.():.徐诚陈菁张起宽等.步枪弹对复合防护人体上躯干冲击有限元分析.弹道学报():.():./.:.:.孙非闫文敏张俊斌等.手枪弹入靶参数对软防护人体钝击影响分析.系统仿真学报():.():.郭泽荣唐帆袁梦琦等.手枪弹钝性冲击下人体躯干的力学响应.安全与环境学报():.():.():.:.文鹏飞李亚宁路玉峰等.腰椎骨盆髋关节有限元模型建立及生物力学分析.中国组织工程研究():.():.田良.心脏运动过程超弹性材料建模与仿真研究.西安:西安工业大学.:./兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.:.饶昌政.式.普通弹.轻兵器():.():.朱一辉.单兵陶瓷/层合板复合防护冲击响应研究.南京:南京理工大学./.:.张波.步枪弹致背部复合防弹衣后脊柱脊髓钝性损伤特点及损伤机理研究.重庆:第三军医大学.:.宗兆文秦昊陈思旭等.现代脊柱战伤分级救治专家共识.解放军医学杂志():.():.():.:():.科学编辑 王维占 博士(中北大学 副教授)责任编辑 唐定国(上接第 页)./.:.黄山徐伟张喻捷等.基于 的往复吊厢吊杆网格无关性分析.起重运输机械():.():.魏志强李晓晨.飞机高空尾涡安全评估模型.中国安全科学学报():.():./.:.科学编辑 张晶辉 博士(西安航空学院 副教授)责任编辑 唐定国汪 萌等:步枪弹侵彻背部穿硬防护人体靶标钝击效应研究