破片侵彻戴防弹头盔头部靶标钝击效应数值模拟

为研究低速破片对于佩戴防弹头盔的人体头部靶标的杀伤效应,基于枪弹侵彻防弹头盔的3D-DIC试验和和头部撞击试验验证复合材料头盔仿真模型和头部有限元模型的准确性,构建6 mm钢球破片侵彻戴防弹头盔人体头部靶标的数值模型,开展破片从正面、侧面和顶部3个方向的侵彻效应数值模拟。研究结果表明：当破片以600 m/s的入靶速度侵彻时,正面、侧面和顶部侵彻弹着点处的瞬态鼓包高度分别为10.2 mm、11.3 mm和11.5 mm,表明有头部支撑头盔的情况下破片侵彻造成的背面鼓包高度接近;正面侵彻过程弹着点底部颅骨应力最大,侧面侵彻颅骨弹着点底部应力最小,破片侵彻造成的颅骨应力均不会超过损伤阈值,表明低速破片侵彻不会造成颅骨损伤;正面、侧面和顶部侵彻造成的颅内压峰值分别为495 kPa、110 kPa和327 kPa,表明在破片侵彻中侧面的防护效果最好,正面和顶部的颅内压峰值可以造成脑损伤。     

基于OpenGL的枪弹侵彻伤道可视化研究

快速直观地再现枪弹侵彻人体过程中伤道形成过程，为人体易损性评估提供准确的人体损伤数据。首先构建枪弹侵彻明胶靶标过程中的枪弹运动方程和明胶内瞬时空腔运动方程。接着使用C++语言，在OpenGL规范的基础上，对枪弹运动、空腔膨胀设计了可视化算法程序。程序可以通过数据实时驱动，实现枪弹运动和明胶空腔膨胀的动态变形仿真。将某7.62mm枪弹侵彻明胶的伤道可视化仿真与相应实验进行了对比，验证了仿真的准确性。上述程序可作为人体易损性评估软件的一个模块，用于快速直观地再现枪弹对人体的杀伤效应。     

步枪弹侵彻明胶靶标的数值模拟

为更好揭示步枪弹与明胶的相互作用过程及作用机理,采用显式有限元方法对侵彻过程进行了数值模拟,通过与实验数据对比验证了模型的有效性和准确性。对弹头在明胶中的受力、明胶中等效应力分布及入射攻角对明胶创伤效应的影响进行了分析。数值结果表明：在窄伤道段明胶阻力增长缓慢,随着弹头的迅速翻滚明胶阻力急剧增长,并导致弹头破碎;明胶中的最大等效应力层始终分布在瞬时空腔的内壁,随着空腔膨胀其影响区域不断扩大,并导致空腔内壁的明胶单元破坏失效;攻角的微小变化对弹头在明胶中的翻滚位置及速度衰减规律影响较大,但随着攻角的增加这种影响逐渐减弱。     

手枪弹侵彻明胶靶标特性的实验研究

为揭示手枪弹对人体的致伤机理,利用压力和高速摄影综合测试系统实验研究手枪弹侵彻明胶过程中压力波和瞬时空腔的特性。实验中选用4℃,10%浓度配比,尺寸为350 mm×250 mm×175 mm的明胶块作为靶标,9 mm92A手枪弹作为杀伤元,在15 m射距下测量压力波数据和空腔图像。通过对数据进行处理和分析得出以下结论:1压力波形成两个尖峰状波峰,同步枪弹形成的相似,第一波峰是高速撞击明胶靶标所致,第二波峰是手枪弹快速翻滚释放能量所致,且第二波峰高于第一波峰,最大幅值约为12 MPa;2 4000μs时刻瞬时空腔达到最大直径约为73 mm,之后开始收缩并再次膨胀,9 600μs时刻空腔达到第二次最大直径约为64 mm,比第一次下降了约12%;3手枪弹形成的瞬时空腔直径呈半正弦衰减,符合经验公式D=A·ΔE·sin(ωt),求得系数为:A_1=0.05;A_2=0.04;ω=900。     

基于人体解剖结构的单兵防护后损伤评估

为评估人体靶标在穿戴防弹衣情况下,枪弹钝击或穿透防弹衣时对人体造成的损伤严重度,基于真实人体切片数据构建了穿戴防弹衣的数字化人体模型,采用高速摄影机拍摄枪弹侵彻有防护明胶靶标过程,获得明胶靶标内部瞬时空腔的演化数据,并建立瞬时空腔简化模型。采用简明损伤定级标准（AIS）评价单个组织器官的损伤情况,分别基于最大简明损伤评分（MAIS）和新损伤严重度评分（NISS）损伤评估算法给出钝击和穿透防弹衣情况下人体相应部位的损伤评分结果,并进行死亡率预测。开发了人体易损性评估软件,获得了某枪弹以不同速度钝击和穿透穿防弹衣人体时,对人体造成的损伤严重度评分值。研究结果表明：当某枪弹以速度638 m/s射击穿防弹衣人体胸部时产生钝击损伤,人体损伤评分结果为MAIS=3、NISS=27,死亡率预测结果为12.88%;当某枪弹以速度714 m/s 射击穿防弹衣人体胸部时,枪弹穿透防弹衣直接侵彻人体组织,人体损伤评分结果为MAIS=5、 NISS=75,死亡率预测结果为97%。     

人体易损性建模及其评估技术研究

考虑人体结构的复杂性、非均质性,提出了建立具有解剖学结构的人体组织几何模型及其相应的损伤评估算法。利用CVH数据集,应用Photoshop和Matlab建立了基本单位为2mm的立方体、包含123种人体主要组织器官,约652万个单元的高分辨率人体易损性模型。根据实验数据,建立了常规枪弹破片不同速度下侵彻人体形成典型瞬时空腔模型,提出了基于解剖学的损伤评估算法SDI、CDI和NISS。运用HVAssess人体易损性计算程序,获得了典型杀伤元侵彻人体时,各器官的损伤情况,并绘制了损伤分布图。结果表明具有解剖学结构人体易损性模型可用于枪弹、破片侵彻下人体损伤评估,评估结果可为轻武器弹药杀伤效能评价和人体防护设计提供依据。     

高应变率下弹道明胶的本构模型研究

为了更好地进行枪弹和破片终点效应的数值模拟工作,综述了弹道明胶物理性质的实验研究现状;分析了应变率相关超弹性本构模型和流体弹塑性本构模型的特点,结合相关实验数据推导得到了弹道明胶的状态方程系数;进行了球形杀伤元高速侵彻弹道明胶的实验,并建立了对应的有限元模型;两种不同本构模型得到的数值结果与实验数据的对比表明,在高应变率下流体弹塑性本构模型能更好地模拟弹道明胶响应。弹道明胶虽然是一种应变率敏感材料,但在高应变率下由高压导致的材料可压缩性占主导,其物理响应可以用一定形式的动载本构关系（流体弹塑性本构）予以近似。     

球形破片高速侵彻明胶靶标的数值模拟

针对钢球高速侵彻明胶的数值模拟问题,进行了实验研究.在对实验现象及结果的观察与分析的基础上,为建立合理的数值模型和验证数值方法的可行性与准确性提供了评判标准.采用Lagrange,ALE和SPH-Lagrange耦合算法分别对钢球高速侵彻明胶的动力学过程进行了模拟.从建模方法、计算效率、数值结果精度和实验现象再现程度等方面对比分析了3种数值算法之间的差异和优缺点.对比结果表明:针对钢球高速侵彻明胶的数值模拟问题Lagrange算法的计算精度和计算效率最高;如果计算过程中的网格畸变经常造成数值求解终止等问题,则可以考虑采用ALE算法;SPH算法不适用于求解该问题.     

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。     

弹道明胶的动态力学测试方法研究

弹道明胶是一种超软材料,其波阻抗很低,采用经典的霍普金森杆测试技术无法获得其在高应变率下的力学特性。该文采用3种基于霍普金森杆的改进方法分别对其动态压缩力学特性进行测试,并对比3种方法的优缺点。实验结果表明:铝杆配合半导体应变片的测试方法对透射信号的提升有限,无法获得弹道明胶的动态力学数据;基于聚偏氟乙稀(polyvinylidene fluoride,PVDF)压电薄膜传感器的方法避免对透射信号的测量,可以获得满意的测试数据;撞击杆直接加载法在小应变阶段的测试结果可信,但在大应变阶段的测试结果无效。综合来看,使用PVDF压电薄膜传感器的测试方法可以较好地获取弹道明胶的动态力学特性。