高速投射物對軟防護下人體胸廓靶標鈍擊機理研究

《高速投射物對軟防護下人體胸廓靶標鈍擊機理研究》是依託南京理工大學，由溫垚珂擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高速投射物對軟防護下人體胸廓靶標鈍擊機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：溫垚珂
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

高速投射物擊中而未穿透防彈衣的情況下，仍會對防彈衣後的人體產生鈍擊傷害。目前對鈍擊過程中各種物理現象與投射物物理因素之間的定量關係尚未完全明晰，鈍擊效應的致傷機理還有待進一步闡明。本項目擬採用材料動態力學實驗、彈道衝擊實驗和數值計算相結合的方法研究高速投射物對軟防護下人體胸廓靶標的鈍擊機理。採用霍普金森桿裝置測量UHMWPE無緯布和彈道明膠動態力學特性，並分別構建其動態本構模型；採用多參數同步測量技術對投射物撞擊速度、入射角度和幾何形狀等對鈍擊效應的定量影響規律進行實驗研究；建立人體胸廓靶標鈍擊效應數值計算模型並在開源計算生物力學軟體FEBio中進行求解，通過與實驗結果對比來驗證和完善數值模型。深入分析撞擊過程中的能量傳遞規律、靶標內應力場、應變場隨時間空間變化規律及骨骼間接損傷機制。該研究不但可以為輕武器殺傷威力提高和殺傷效能評估提供科學依據，而且也將為防彈衣改進及鈍性損傷預防提供參考。

結題摘要

本項目擬採用材料動態力學實驗、彈道衝擊實驗和數值計算相結合的方法研究高速投射物對軟防護下人體胸廓靶標的鈍擊機理。採用霍普金森桿裝置測量了UHMWPE複合材料的動態力學特性，研究了試件形狀對測量結果的影響規律。採用萬能材料試驗機和霍普金森桿分別測量了彈道明膠的準靜態和動態力學特性，試驗結果表明，彈道明膠在低應變率和高應變率的範圍內有著明顯的應變率效應。基於試驗數據，建立了含應變率本構模型，並給出了20%彈道明膠的材料常數。建立了“明膠-胸廓”仿生人體軀幹，進而搭建了同步測試系統開展手槍彈侵徹有防護人體靶標的試驗研究。將壓力感測器埋設在心臟和左肺部位，獲得了人體典型位置受到槍彈鈍擊時這兩個部位的動態壓力特性。高速攝影拍攝到的侵徹過程表明，軟質防彈衣會產生非常大的瞬態凹陷，隨後在人體靶標彈性能的作用下凹陷深度和範圍又逐漸減小。進行了手槍彈侵徹軟防護下人體上軀幹靶標的數值模擬，計算獲得的軟質防彈衣和彈丸的受損情況與實彈試驗中的受損情況基本保持一致。計算結果表明，侵徹初期防彈衣以剪下破壞為主，對子彈的阻擋作用較差，子彈能量損耗較小，速度緩慢下降。隨著子彈的鐓粗變形，防彈衣後部無緯布主要發生拉伸變形，從而有效的吸收了子彈的撞擊動能，子彈速度急劇下降。彈著點為心臟部位時，左肺最大等效應力為0.231MPa，右肺有限元模型的最大等效應力為0.363MPa，心臟最大等效應力為0.056MPa。該研究不但可以為輕武器殺傷威力提高和殺傷效能評估提供科學依據，而且也將為防彈衣改進及鈍性損傷預防提供參考。