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人体靶标的制作与软防护下钝击效应研究

唐刘建  
【摘要】:随着新型防弹材料的研发,防弹衣逐步向轻巧化、舒适化的目标发展。在单兵作战和维护治安的行动中,软质防弹衣已经能够有效防止手枪弹直接对人体造成伤害。但是弹丸的冲击动能仍会作用在人体上,并在人体上导致所谓的“冲击凹陷”,从而产生类似钝器猛击造成的损伤(钝击伤)。这种钝击伤严重的可能会导致人体的内脏、骨骼受损,甚至致死。目前,国内外对于钝击伤效应的研究还不够全面、透彻,对钝击凹陷的研究较多,对靶标内压力波特性研究还不够深入,因此有必要继续开展相应钝击效应试验与数值模拟研究。本文提出了一种新型“明胶-胸廓”仿生假人的制备方法。制备的“明胶-胸廓”仿生假人能够更为真实的模拟各类冲击试验中人体骨骼和内脏的力学响应。安置好内部埋有传感器的“明胶-胸廓”仿生假人作为试验用人体上躯干靶标,并采用高速摄影、红外同步触发器等设备搭建了多参数同步测试系统。开展了多种手枪弹侵彻软防护下“明胶-胸廓”人体上躯干靶标的试验研究,获得了靶标内部压力、加速度响应规律,并拍摄到了整个钝击过程。试验结果表明,使用92式9mm铅芯弹射击“明胶-胸廓”人体上躯干靶标的心脏部位时,心脏处峰值压力为1.440MPa~1.610MPa;使用51式7.62mm铅芯弹射击“明胶-胸廓”人体上躯干靶标A的心脏部位时,心脏处峰值压力为1.630MPa;使用9mm巴弹射击“明胶-胸廓”人体上躯干靶标的左肺部位时,心脏处峰值压力约为0.590MPa。试验结果还表明,冲击压力波在靶标内部向四周传播时会迅速衰减,压力越大衰减越快,衰减过程中衰减速度会逐渐变小,靶标会大量吸收压力波的能量。由于泡沫板有吸波作用,在软质防弹衣后中插入泡沫板可以有效的减小钝性损伤时的冲击压力。建立了人体上躯干有限元模型,模型包含左肺、右肺、心脏、肝脏、胃、胸骨、肋骨和胸椎等人体主要器官和骨骼。进行了弹速360m/s的9mm手枪弹侵彻软防护下人体上躯干靶标的数值模拟,计算获得的软质防弹衣和弹丸的受损情况与实弹试验中的受损情况基本保持一致。计算结果表明,侵彻初期防弹衣以剪切破坏为主,对子弹的阻挡作用较差,子弹能量损耗较小,速度缓慢下降。随着子弹的镦粗变形,防弹衣后部无纬布主要发生拉伸变形,从而有效的吸收了子弹的撞击动能,子弹速度急剧下降。弹着点为心脏部位时,左肺最大等效应力为0.231MPa,右肺有限元模型的最大等效应力为0.363MPa,心脏最大等效应力为0.056MPa。本文进行的试验和数值模拟为钝性损伤分析与评估提供了理论与方法支撑,为轻武器杀伤威力提高和防弹衣防护性能提升提供了科学依据。


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