手枪弹撞击戴防弹头盔人体头颈部靶标的钝击效应

防弹头盔虽然能有效防御手枪弹的贯穿性杀伤,但是头盔的瞬态变形仍有可能对人体头部造成严重损伤。为研究头盔致头部钝击伤,采用仿真软件Abaqus用户材料子程序 VUMAT编 写适用于模拟复合材料防弹头盔力学性能的渐进损伤本构模型,基于防弹头盔三维数字图像相关法试验结果验证了仿真模型的准确性;开展9 mm铅芯手枪弹以343 m/s的速度撞击佩戴防弹头盔人体头颈部靶标的数值模拟,获得头盔鼓包高度、颅骨应力、颅内压力和颈椎应力等钝击效应特征量。研究结果表明：头盔未佩戴在人体头部时,顶部弹着点处的瞬态最大鼓包高度可以达到 27.7 mm; 头盔佩戴在人体头部后,由于头部的支撑作用,弹着点处的头盔壳瞬态最大变形量减小为10.73 mm;钝击过程中颅骨上的最大应力达到46.97 MPa,并有单元失效,表明颅骨发生了凹陷性骨折;颅内压力最大值达到208.7 kPa,能够造成大脑等重要器官的中度损伤;各颈椎骨上均有较大应力;各椎间盘中心髓核处应力较大,C₂~C₃椎间盘上的应力最大,达到2.65 MPa。     

枪弹冲击防弹头盔致头部非贯穿性损伤的数值模拟研究

新型防弹头盔虽能对头部提供良好的保护,但也常引起颅骨骨折与脑损伤。防弹头盔在高速弹体冲击下引起的头部非贯穿性损伤的机理难以理解,目前还缺少相应的参数与测试方法对该类损伤进行有效评估。利用已建立及通过验证的人体头部生物力学模型与防弹头盔有限元模型, 并通过加载手枪弹以386 m/s的速度冲击防弹头盔的仿真研究,获得头盔非贯穿下人体头部的生物力学响应。仿真结果表明,头盔通过背面变形接触头部易引起颅骨骨折与高颅内压力。对比分析了有无衬垫泡沫及6 mm和12 mm泡沫内饰衬垫厚度对头部损伤的影响：有泡沫作用下的颅内压力峰值降低20.6%,头盔的背面变形量减少约10%;6 mm厚衬垫泡沫作用下颅骨出现骨折,12 mm厚衬垫泡沫作用下颅内压力峰值减少50%,头盔的背面变形减少10%.     

典型靶后破片对明胶毁伤的数值模拟

借助ANSYS/LS-DYNA软件,采用Lagrange算法对4.8mm球形破片侵彻明胶靶标进行了数值模拟研究,将计算结果同相应的试验结果进行了比较,二者符合得很好,验证了数值模拟方法的正确性及有效性。在此基础上分析了聚能装药侵彻装甲靶板靶后破片形状、破片质量、破片速度对明胶靶标最大瞬时空腔直径和侵彻深度的影响规律,并以明胶靶标最大瞬时空腔直径和侵彻深度为指标,应用正交设计方法分析了破片形状、破片质量、破片速度3因素对指标的影响主次关系。研究表明:破片质量是影响明胶靶标最大瞬时空腔直径及侵彻深度的主要因素。     

步枪弹对带软硬复合防护明胶靶标的侵彻机制研究

为研究步枪弹对带软硬复合防护明胶靶标的侵彻机制,采用有限元分析软件ANSYS/ LS-DYNA建立步枪弹侵彻复合靶标的数值模型。通过该模型模拟了侵彻过程中的钝性冲击现象和明胶瞬态响应,并进行了试验验证。研究结果表明：步枪弹侵彻陶瓷板过程中消耗了弹头大部分能量;明胶内瞬时空腔呈现椭球形基本形态,空腔最大凹陷深度和膨胀速度分别为25.6 mm和35.7 m/s;压力波在明胶内以球面波形式向外传播,在弹着点处峰值压力最大,且压力幅值随着传播距离的增大而不断减小;弹头速度先有一段明显的下降过程,而加速度绝对值则先增大,随后它们都逐渐衰减至0 m/s和0 m/s²;陶瓷板的破坏主要是由拉应力和压应力的反复作用造成的;数值计算结果与试验结果的一致性较好,验证了数值模拟模型的准确性。     

侵彻战斗部头部惰性体结构设计研究

为了研究侵彻战斗部头部惰性体结构设计原则,应用应力波理论,分析了侵彻战斗部撞击靶标过程中应力波从壳体到头部惰性体再到主装药的传播过程,建立了应力波传播的数学计算模型;应用大落锤试验平台,针对不同厚度、不同结构的惰性体开展了应力波传播试验研究,对比分析了试验结果和计算结果,验证了模型的合理性。依据数学计算模型,总结得出惰性体两端面的结构尺寸对应力波强度的变化影响较大,且按照e-2(D-d)/D的规律进行变化,而惰性体的厚度在10~50mm范围内变化时对应力波强度没有直接影响。     

基于爆炸冲击波的头盔防护性能

针对爆炸冲击波致脑损伤的防护问题,开展基于爆炸冲击波的头盔防护性能研究,结合壁面压力传感器和颅脑模拟靶标,形成不同头盔结构和头盔内不同位置的冲击波防护试验测试方法,获取模拟靶标前额、颅顶和颅后的压力-时间变化曲线,分析爆炸冲击波在有/无防护条件下的颅脑表面传播规律。试验结果表明：头盔均能有效削弱冲击波超压,前额超压峰值可从无防护的352.57 kPa削弱至戴QGF-03式头盔的151.31 kPa,戴上全盔后则可削弱至11.36 kPa;冲击波在有防护的颅脑靶标传播过程中易发生绕射和叠加汇聚效应,与无防护相比,QGF-03式头盔内颅后超压提高了50%~100%,FAST头盔内颅后超压提高了9%,盔内压力作用时间显著增长,其中防护面罩可以大幅削弱爆炸冲击波对头部的作用,对前额和面部冲击波超压的削弱可达75%;全盔防护效果最好,能在前额、颅顶和颅后三处分别削弱90%、87%、80%超压峰值,密闭性对冲击波防护具有积极作用。     

低速陶瓷球侵彻明胶研究

为研究低速陶瓷球侵彻明胶运动规律,通过试验和数值模拟方法,测量了不同直径陶瓷球的冲击速度和侵彻明胶深度; 采用能量守恒模型,计算球形破片侵彻明胶深度; 结合试验结果与理论结果进行验证计算。研究发现:对于球形破片侵彻明胶,利用该文的理论分析模型计算出的侵彻深度与试验结果吻合较好; 基于理论模型的可靠性,发现低速陶瓷球侵彻明胶,其直径是影响侵彻深度的主要因素; 将陶瓷球、钨球、钢球的侵彻能力进行对比,综合考虑侵彻深度和最大空腔半径,结果表明陶瓷球更适合作为毁伤元。     

超高分子量聚乙烯纤维层合板抗侵彻性能的一种数值分析方法

为了准确模拟和预测超高分子量聚乙烯纤维层合板(ultrahigh molecular weight polyethylene laminate,UHMWPEL)的抗侵彻性能,将UHMWPEL离散为若干正交各向异性的单层板及若干黏结界面层分别建模;继而基于ABAQUS/Explicit求解器进行用户动态材料子程序二次开发,单层板损伤起始准则采用应力耦合的3D Hashin准则,黏结层损伤起始准则采用拉剪耦合的二次应力准则,二者均采用双线性材料本构模型及基于等效应力和断裂韧性的损伤演化方法;发展了一种适用于三维复合材料层合板抗侵彻分析的有限元计算方法。基于该方法计算预测了典型的10 mm和20 mm厚UHMWPEL在楔形钢质破片模拟弹(FSP)在不同初始速度冲击侵彻作用下的损伤破坏状态和FSP残余速度。计算结果表明,与已有试验相比,10 mm和20 mm厚的UHMWPEL弹道极限速度(v50)预测误差分别为0.6%和11.3%,FSP各残余速度数值计算误差均小于14.2%;UHMWPEL的损伤破坏过程表现出先冲切破坏和局部鼓包,继而大范围鼓包、大面积分层以及纤维拉伸破坏的两阶段特性,与已有试验的观测现象相吻合,验证了本文计算模型和方法的可靠性。     

中国的新型军用头盔

防弹头盔历来为各国军队所重视。据有关资料报道,战场上的伤亡大多数由弹片所致,而防弹头盔可以有效地减少战场上的伤亡。美军第二次世界大战统计数字表明,钢盔至少保护了美国7万名士兵的生命。英国的有关部门也表示戴防弹头盔可减少5％的受伤率和19％的阵亡率。随着科学和技术的进步,未来战场武器的杀伤力将更大,各种破片的数量将会更多,士兵面临的伤害将更严重。为此,世界各国军队都在研制防护     

新型超高分子量聚乙烯膜材料防弹性能及机理

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）膜材料是近年来出现的新型防弹材料,具有与UHMWPE防弹无纬布不同的结构形式。采用1.1 g标准模拟破片、51式7.62 mm钢被甲铅芯弹和9 mm巴拉贝鲁姆铜被甲铅芯弹,对两类UHMWPE材料叠层靶片进行射击试验,研究两类材料的分子量、结晶度、力学特征以及防弹效能系数对其弹道极限v₅₀值、比吸能值和凹陷深度方面的影响,对其防弹性能进行理论分析,并结合弹着点形貌,对比研究了两类材料的防弹机理。结果表明：两类材料的分子量、结晶度、拉伸强度以及拉伸模量与其防弹性能呈正相关,较小的断裂伸长率更有利于减小凹陷深度;膜材料的条带结构更有利于材料承载应力、能量传播和能量耗散。因此,UHMWPE膜材料在弹道防护领域将具有很好的应用前景。     

防弹玻璃在子弹冲击下的数值模拟研究

为研究防弹玻璃对步枪子弹的防护能力,建立了精细化的防弹玻璃数值模拟方法,分析了多层材料层合而成的防弹玻璃在7.62mm步枪子弹打击下的动力学响应与毁伤机理;通过子弹打击防弹玻璃的试验获得了防弹玻璃的破坏过程,验证了防弹玻璃侵彻毁伤及防护机理。研究表明:文章所用数值模拟方法可准确的描述子弹对防弹玻璃的复杂侵彻过程,可在未来提高防弹玻璃的设计效率。     

破片形状对复合靶抗侵彻性能影响的实验研究

采用系列弹道实验,研究了双层钢/铝爆炸复合靶在不同形状破片侵彻作用下的毁伤机理和抗侵彻性能。实验采用14.5 mm滑膛枪发射直径6 mm的钢质球形破片和边长4.2 mm的钢质立方体破片。基于实验结果,分析了不同形状破片侵彻下靶板的毁伤机理和破坏模式,讨论了破片形状、动能及靶板厚度分布等因素对复合靶抗侵彻性能的影响。结果表明:在球形破片和立方体破片的侵彻作用下,钢面板发生剪切冲塞破坏,铝背板发生延性扩孔破坏;复合靶板抗立方体破片侵彻性能优于抗球形破片侵彻性能;在球形破片的侵彻作用下,当靶板厚度一定时,复合靶板的抗侵彻性能随钢面板与铝背板厚度比的增大而提高,对于立方体破片则相反。     

带防弹钢板的钢纤维混凝土靶抗侵爆性能分析

为使防护工程具有更好的抗侵彻抗爆性能,对不同钢纤维混凝土靶板的抗侵彻抗爆性能进行研究.分别对侵彻后的靶板和带有普通钢板的钢纤维混凝土靶板进行静爆试验,根据靶板破坏情况、侵彻深度和防弹钢板的裂纹长度,结合应变测量,分析爆炸后靶板钢筋上的应变数据,得出最优的防护靶板参数.试验结果表明:15 mm厚的防弹钢板可提高钢纤维混凝土靶板的抗侵彻性能,450 mm厚的钢纤维混凝土靶板拥有最优的抗侵彻抗爆性能.     

典型电雷管的聚四氟乙烯抗过载加固方法

为了提高弹药侵彻目标时火工品的抗过载冲击能力,采用在雷管底部和外壁衬垫一定厚度聚四氟乙烯材料的方法减缓冲击应力波和惯性过载的强度。以制式桥丝式独角电雷管为加固对象。采用空气炮实验和数值模拟研究了这一加固方法的机理和有效性。实验与模拟结果表明,衬垫缓冲层隔离了冲击应力波和缓冲了雷管质量惯性。随着衬垫厚度增加,雷管承受的过载加速度和受到的过载损伤逐渐减小。当缓冲层厚度大于0.9 mm时,雷管无显著损伤发生。聚四氟乙烯材料的加入对雷管有明显的保护作用。     

圆柱形破片侵彻靶板的数值计算研究

以直径为8mm的圆柱形破片为对象,采用非线性动力学程序AUTODYN,研究破片极限穿透速度与入射角度的变化规律。并用已有的经验公式验证比较,结果表明:破片入射角度越大,其变形越大,弹道极限速度也越大,且两者并非线性变化。在入射角小于45°时,仿真值与经验公式值基本吻合;在入射角大于45°时,两者误差较大,在入射角为60°时,两者误差达15.7%。当破片的入射角过大(大于75°)时,即使入射速度达4000m/s时,破片都不能贯穿靶板。     

复合 MEFP 战斗部侵彻性能及其后效的仿真研究

为研究新型复合 MEFP 战斗部在破甲武器中的应用,运用 ANSYS ／LS-DYNA 有限元分析软件,采用多物质ALE 流固耦合算法,对复合 MEFP 战斗部侵彻体成型过程进行数值仿真计算,研究其侵彻体性能,并选择靶板进行侵彻,分析侵彻性能及穿孔孔径和毁伤范围,最后以后效靶板进行验证,综合分析复合 MEFP 战斗部的侵彻性能及后效影响;结果表明：该复合 MEFP 聚能战斗部在起爆方式选取单点同时起爆时,形成互不影响的1个主 EFP 和4个辅EFP,可以同时侵彻靶板,提升侵彻性能;主、辅 EFP 侵彻钢靶使孔径增大,并且提升了战斗部毁伤范围;复合 MEFP战斗部后效作用明显,侵彻后效靶板的孔径为48 mm,大大提升了 EFP 战斗部的毁伤性能。     

钨锆铪活性合金破片冲击释能行为实验研究

为研究活性合金材料的冲击释能行为,采用弹道枪驱动一种高强度、高密度的钨锆铪活性合金破片,使其以不同着速撞击Q235钢靶,通过观察靶板穿孔模式和靶后冲击释能火光区的高速摄影图像,提出合金类破片冲击释能的3阶段模型,即冲击激活阶段、自蔓延释能阶段、自激活阶段。结合应力波、热应力理论和冲击温升方程,获得该破片能量的激活门限、能量完全释放的临界条件、释能火光区的最大尺寸及其靶后有效毁伤距离。研究结果表明：钨锆铪活性合金破片不仅具有类似惰性破片的动能毁伤能力,而且在穿靶前活性能耗极小,活性能量在穿靶后毫秒量级内完全释放;破片活性能量被完全激活前,释能火光区的最大毁伤容积和有效毁伤距离分别随破片着速的提高呈指数和线性增长趋势。