2017RESEARCHPLAN基于有限元法的彈頭射擊機械防護服對人體損傷分析的研究CONTENTS1234研究背景機械防護服裝的相關研究、人體損傷分析子彈介紹CONTENTS5678有限元法在人體損傷分析中的應用子彈、防護服、人體有限元模型的建立及精確有限元分析結(jié)果評價ONE研究背景

在現(xiàn)代戰(zhàn)場上，被殺傷元(子彈、破片等)擊中心臟、肺臟等重要器官下的生存機率非常渺茫，因此，如何在受到輕武器打擊時能夠更有效的防護軀干歷來是科學家們重要的研究課題。150多年來，科學家們一直致力于研究子彈和爆炸性武器的破片與人體組織的相互作用。為了使醫(yī)生在挽救傷員生命的同時最大降低傷員受到危害時的痛苦，研究影響殺傷元致傷程度的因素，防護材料的防彈機理，以及分析殺傷元撞擊有防護人體后的鈍擊效應，成為現(xiàn)在各國研究的重要課題，人體生物力學方面的研究以成為當今世界研究的主要方向[1-3].防彈衣的普及應用雖然有效減少了穿透傷的發(fā)生，但槍彈擊中防彈衣產(chǎn)生的鈍性彈道沖擊在造成胸部鈍挫傷的同時，還可能造成顱腦的間接損傷[4]。[1]劉蔭秋，王正國，馬玉媛，創(chuàng)傷彈道學[M]，人民軍醫(yī)出版社，1991[2]咸興平，劉祿勝，于靜.防彈衣的防護機理及防護性能分析[J].中國個體防護裝備,2007(2):22~23[3]劉蔭秋，創(chuàng)傷彈道學概論[M]，新時代出版社，1985[4]CannonL.Behindarmourblunttrauma-anemergingproblem[J],JRArmyMedCorps，2001，147,87-96.

防彈衣的使用極大的降低了士兵在戰(zhàn)場中死亡率，據(jù)統(tǒng)計第一次世界大戰(zhàn)因為防彈衣的使用使英國士兵的傷亡率降低了58%，其中胸部受傷造成的死亡率從30%降低到了8%。但得注意的是，合格的防彈衣雖然可以有效防止相應等級子彈造成穿入傷，但由于防彈衣于胸廓間的距離有限，子彈擊中時防彈衣的變形擠壓及壓力波仍可將一部分能量傳遞至機體，造成后鈍性傷[1]。Shepard等[2]1969年報道了第一例防彈衣后損傷致死的案例，一名美國士兵被M-16步槍彈擊中胸部，該士兵穿有防彈衣且未被擊穿，但于傷后45分鐘死于呼吸困難，尸體解剖發(fā)現(xiàn)有大面積的肺挫傷，自此BART開始被人重視。隨著近代武器的發(fā)展。越來越多的高能武器被運用于實戰(zhàn)中以及彈衣設計者對防彈衣的重量以及厚度的減小導致能量更易向人體內(nèi)傳送，防彈衣后鈍性傷的問題日益顯著，已經(jīng)成為近代創(chuàng)傷彈道學研究的重點。[1]王凌青.不同彈體結(jié)構(gòu)步槍彈致防彈衣后鈍性傷特點及其生物力學機制[D].第三軍醫(yī)大學,2013.[2]ShepardGH,FergusonJL,FosterJH.Pulmonarycontusion.AnnThoracSurg.Feb1959；7(2):110-119.TWO子彈介紹子彈介紹子彈的殺傷力由侵徹力（Penetration）和停止力（StoppingPower）的相互作用決定普通彈曳光彈燃燒彈穿甲燃燒彈瞬爆彈空頭彈空包彈智能彈無殼彈液體彈多頭彈空爆式彈增強型彈子彈殺傷力基本分類子彈介紹槍長：188mm重量：760g口徑：9mm全彈長：30mm全彈重：12.06g彈頭重：8g發(fā)射彈頭初速度：350m/s發(fā)射方式：半自動有效射距：50m彈頭：DAP92式9mm普通彈殺傷力：停止作用好[1]陳振乾,史海青,紀毓琴,等.QSZ92式9mm手槍射擊彈頭痕跡研究[J].新疆警官高等?？茖W校學報,2007,27(1):29-33.QSZ92式軍用手槍[1]子彈介紹

穿透作用，永久性空腔作用，暫時性空腔作用和破片作用。穿透作用：射彈擊穿組織造成的破壞;永久性空腔作用：當射彈擊穿組織后，造成的空間量，簡單的說，就是子彈穿過后留下的洞;暫時性空腔：彈頭穿過時，由于動能的傳導，牽拉組織，所造成的永久性空腔的擴展;破片作用:彈頭的碎片或彈頭造成的碎骨，在永久性空腔外壁被動向外圍推擠，切斷肌肉組織或血管對人體所造成的殺傷。在步槍彈造成的槍傷中，暫時性空腔作用和破片作用對人體的殺傷作用尤為明顯。[1]張北.手槍槍傷構(gòu)成因素及射彈效力[J].警察實戰(zhàn)訓練研究,2008(2):90-91.槍傷構(gòu)成要素[1]子彈介紹穿透作用，永久性空腔作用是對人體造成殺傷的主要因素。手槍槍傷的構(gòu)成因素中，最重要的是穿透作用，次重要的是永久性空腔作用。彈頭必須能夠達到足夠的深度，才能穿透重要的器官。從人體側(cè)面射入的彈頭必須深入達25-30厘米才能穿過心臟。而從正面射入的彈頭必須深入達約16-18厘米才能穿透或者觸及腹腔背側(cè)的大血管。而永久性空腔要足夠大，最大程度地造成組織的破損和出血。也就是說手槍的彈頭必須至少能夠穿入人體柔軟的組織達到29厘米，比較理想的穿透深度是44-45厘米。在穿透作用相同的前提下?？趶皆酱蟮淖訌棜Ч胶?。大口徑彈頭能損壞小口徑彈頭觸及不到的血管，造成更大的永久性空腔以及大量的失血。[1]張北.手槍槍傷構(gòu)成因素及射彈效力[J].警察實戰(zhàn)訓練研究,2008(2):90-91.手槍對人體造成殺傷的主要因素[1]THREE機械防護服的相關研究機械防護服裝指使用特殊材料制得的能有效抵抗刺穿、壓力、敲打、摩擦等物理機械傷害的服裝，其中對人體的主要傷害來自于沖擊力[1]。機械防護服裝主要用來防彈，防割，防鋸，防薄金屬片、玻璃、刀或其他尖銳邊緣物體侵害，廣泛地應用于特殊的工作環(huán)境。機械防護服裝的發(fā)展機械防護服的相關研究[1]沙松雪.機械防護服裝面料抗沖擊性能研究[D].蘇州大學,2010.原始時期：天然纖維編織帶作為護胸在20世紀之前，主要的機械防護服裝由金屬板做成，保護士兵的胸部、背部和肩部

20世紀40年代，制成的軟質(zhì)防彈衣60年代，出現(xiàn)了氧化鋁陶瓷材料改善了防彈衣的服用舒適性。發(fā)展歷程在第一次世界大戰(zhàn)中，出現(xiàn)了以天然纖維織物為服裝襯里，配以鋼板制成的防彈衣二戰(zhàn)后期，英軍首先研制成功了由三塊高錳鋼板組成的防彈背心。而美國試制和正式采用的防彈衣就有23種之多.1945，美軍研制成功鋁合金與高強尼龍組合的防彈背心，型號為M12步兵防彈衣。50年代在朝鮮戰(zhàn)爭中，美軍使用的尼龍材料軟質(zhì)防彈衣質(zhì)量僅為3.6千克的，不僅提高了防護性能，而且還提高了作戰(zhàn)的靈活性7o年代美國杜邦公司研制出一種具有超高強度、超高模量、耐高溫的合成纖維——"Kevlar"尼龍(聚酰胺纖維)[1][2]A機械防護服的相關研究纖維材料的研究

20世紀50年代，美軍首先試用尼龍這類軟質(zhì)合成材料制作防彈衣。當子彈擊中防彈衣時，縱橫交織的多層尼龍纖維像網(wǎng)一樣裹住子彈，子彈如繼續(xù)運動就必須拉伸尼龍纖維。尼龍纖維的張力降低了子彈的運動速度，消耗并吸收了子彈的動能。由于彈片的動能和運動一般比子彈低得多。所以尼龍防護服裝對彈片傷害的防護作用更明顯。但是由于尼龍纖維的抗張強度所限，所以尼龍防護服裝要收到好的防護效果，重量需在4.5kg以上。而穿上如此之重的防護服裝，其活動性能至少要降低30%。[1]衰承軍，高性能纖維和材料在防彈衣上的應用，中國個體防護裝備，2005年，第3期;[2]鄭震、楊年慈、施相梧、黃可龍，硬質(zhì)防彈維復合材料的研究進展，材料科學與工程學報，2005年12月，第23卷，第6期;對位芳香族聚酞胺纖維[1][2]A機械防護服的相關研究纖維材料的研究美國杜邦公司于1971年研制出來的一種聚對苯二甲酞對苯二胺芳香族聚胺酞纖維(PPTA)——Kevlar是最最有代表性的高強度、高模量纖維。PPTA纖維具有較高的化學穩(wěn)定性和高溫下的尺寸穩(wěn)定性，有高拉伸強度、高模量、低延伸率、熱性能較好等特點。但纖維不耐彎曲疲勞和摩擦，由于纖維內(nèi)部存在吸收光輻射的酞胺基團，所以很不耐光，此外，吸濕后纖維的力學性能會有所下降。使用PPTA纖維做機械防護材料，就可以減輕質(zhì)量，提高機械防護服裝的舒適性.更重要的是提高了機械防護服裝的防護性能。[1]衰承軍，高性能纖維和材料在防彈衣上的應用，中國個體防護裝備，2005年，第3期;[2]鄭震、楊年慈、施相梧、黃可龍，硬質(zhì)防彈維復合材料的研究進展，材料科學與工程學報，2005年12月，第23卷，第6期;超高分子量聚乙烯纖維[1]

[2]A機械防護服的相關研究纖維材料的研究超高分子量聚乙烯纖維密度很低，力學性能和能量吸收性能優(yōu)異，但是其在橫向力學、高溫力學和多種樹脂的粘結(jié)方面性能較差。此纖維具有很高的強度和模量，密度小，所以其比拉伸模量是Kevlar纖維的4-5倍。而撓曲壽命優(yōu)于Kevlar纖維，斷裂伸長率也大于Kevlar纖維。所以超高分子量聚乙烯纖維具有較強的耐沖擊性和能量吸收能力。耐化學制劑的能力和耐光性能也比Kevlar好。該纖維比重很輕，抗拉強度比剛高15倍。

[1]衰承軍，高性能纖維和材料在防彈衣上的應用，中國個體防護裝備，2005年，第3期;[2]鄭震、楊年慈、施相梧、黃可龍，硬質(zhì)防彈維復合材料的研究進展，材料科學與工程學報，2005年12月，第23卷，第6期;聚芳酯纖維[1]A機械防護服的相關研究纖維材料的研究聚芳醋纖維是由溶質(zhì)型液晶樹脂制成，其強度、模量與Kevlar纖維相當。它的吸濕率接近于零;在干熱和濕熱處理后的強度保持率、振動吸收性和耐沖擊周期性皆優(yōu)于Kevlar纖維。但聚芳脂纖維仍須避免長時間的紫外線暴曬，而且，它的耐疲勞性、粘接性能還有待提高。[1]鄭震、楊年慈、施相梧、黃可龍，硬質(zhì)防彈維復合材料的研究進展，材料科學與工程學報，2005年12月，第23卷，第6期;聚苯并雙噁唑纖維(PBO)和聚乙烯醇纖維(PVA)[1][2]A機械防護服的相關研究纖維材料的研究PBO纖維具有高強、高模量、耐熱、阻燃等特性，其強力、模量為Kevlar纖維的兩倍。PBO纖維柔軟性良好，織成的織物柔軟性近似于滌綸纖維織物，對于紡織編織加工極為有利.抗老化性能、耐熱性能和耐燃燒性能都比芳綸好，而且它的耐沖擊性比芳綸、碳纖維要高很多.聚乙烯醇纖維(PVA)比斷裂功大，易于粘接，價格適中。[1]鄭震、楊年慈、施相梧、黃可龍，硬質(zhì)防彈維復合材料的研究進展，材料科學與工程學報，2005年12月，第23卷，第6期;[2]衰承軍，軟質(zhì)防彈衣材料現(xiàn)狀及防彈衣發(fā)展趨勢，輕兵器，2005年，第5期下，8-9頁;蜘蛛絲[1]A機械防護服的相關研究纖維材料的研究蜘蛛絲(黑寡婦)質(zhì)地比鋼鐵還堅韌而且非常輕巧，比合成材料或生物聚合體輕具有強度大、彈性好、柔軟、質(zhì)輕等優(yōu)良性能，因此非常適合制造機械防護服。但由于來源級為有限，因此無法進行規(guī)?；a(chǎn)。目前，美國正利用人工方法生產(chǎn)蜘蛛絲，采取生物基因工程技術進行絲纖維蛋白物，與蜘蛛絲進行混合，生產(chǎn)制作機械防護服裝的材料。[1]邱日祥，生物防彈衣材料種種，中國安防產(chǎn)品信息，2005年第1期，第25頁;牛奶剛[1]A機械防護服的相關研究纖維材料的研究奶牛所產(chǎn)的奶中含有“黑寡婦”蜘蛛的蛋白纖維，這就增強了牛奶蛋白纖維的強度。這種新穎的牛奶纖維，既保持了牛奶絲的精美與柔韌，又使它的物理強度比鋼鐵的強度還要大10倍以上，因此被稱為“牛奶剛”，它成為目前世界上最引人注目的生物剛之一。[1]邱日祥，生物防彈衣材料種種，中國安防產(chǎn)品信息，2005年第1期，第25頁;羊奶蛋白[1]A機械防護服的相關研究纖維材料的研究改變遺傳物質(zhì)的山羊奶可以提供巨大的生產(chǎn)蜘蛛絲蛋白的能力。加拿大Nexia公司正在啟動一項技術將蜘蛛絲基因分離開來，并與轉(zhuǎn)基因羊組合起來，使山羊經(jīng)過轉(zhuǎn)基因處理后重組羊奶中的蜘蛛絲。這項技術也稱為生物綱項目。這種技術能將蜘蛛絲蛋白質(zhì)從山羊奶中提取出來并大規(guī)模生產(chǎn)。從轉(zhuǎn)基因山羊奶中提取出的蜘蛛絲蛋白生產(chǎn)的蜘蛛絲纖維強度很高，會極大地提高機械防護服裝的防護性能。[1]邱日祥，生物防彈衣材料種種，中國安防產(chǎn)品信息，2005年第1期，第25頁;超強力水晶纖維[1]A機械防護服的相關研究纖維材料的研究英國的南安普敦大學的科學家們開發(fā)了一種從液體水晶中提煉出來的超強力水晶纖維。科學家們在實驗室中發(fā)現(xiàn)，當對一層液體水晶施加電壓時，所有水晶都會呈現(xiàn)出同一方向排列并形成以個長的分子鏈。用化學方法使水晶分子鏈結(jié)合，就會形成強拉力纖維，然后再用天然樹脂將纖維定型，便制成超強力纖維。[1]鄭震、楊年慈、施相梧、黃可龍，硬質(zhì)防彈維復合材料的研究進展，材料科學與工程學報，2005年12月，第23卷，第6期;碳纖維[1]A機械防護服的相關研究纖維材料的研究碳(石墨)纖維由石墨微晶構(gòu)成，因而具有很高的強度和彈性模量，斷裂伸長較低。它的種類很多，但作為補強材料，碳纖維樹脂復合材料的耐沖擊性低，吸收機械力的沖擊性能也較低，故在機械防護服裝中應用相對較少。[1]鄭震、楊年慈、施相梧、黃可龍，硬質(zhì)防彈維復合材料的研究進展，材料科學與工程學報，2005年12月，第23卷，第6期;平紋織物A機械防護服的相關研究織物材料的研究(1)平紋織物:和其他二維編織物相比，平紋織物作為最常見及最容易獲得的織造形式，由于織物的紗線交織的密度高，其抗沖擊性能也最好。具有良好的抗沖擊性能。平紋織物結(jié)構(gòu)緊密，覆蓋系數(shù)大，防止織物在抗沖擊過程中由于紗線的滑移造成織物的抗沖擊性能下降。三維編織物A機械防護服的相關研究織物材料的研究(2)三維編織物:在受強力沖擊過程中，分層破壞是其最顯著的特征，但因?qū)恿讯盏膹楏w動能與因纖維斷裂及基體開裂而吸收的能量相比有較大的差距。與層合復合材料相比，在相同的纖維體積含量的情況下，三維編織復合材料因纖維通過厚度方向而具有較高的剪切強度和斷裂韌性。由此，三維編織復合材料逐步進入防彈應用領域。無緯編織物A機械防護服的相關研究織物材料的研究[1]王浩，防彈衣及防彈用復合材料，高科技纖維與應用，2001年10月，第26卷，第5期;[2]咸興平、劉祿勝、于靜，防彈衣的防護機理及防護性能分析，中國個體防護裝備，2007年，第2期;(3)無緯編織物(Shield):利用“單向排列”技術獲得的無緯編織物。[1][2]運用這一技術制成的織物即為無緯布。子彈或彈片的大部分能量是通過使沖擊點或沖擊點附近的纖維伸長斷裂而被吸收的。"Shield"織物可最大程度地保持纖維原有的強力，并迅速使能量分散到較大的范圍上去，加工工序也較為簡單。單層的無緯布疊合后可作為軟體防彈衣的主干結(jié)構(gòu)，多層壓制則可成為用于防彈加強插板等硬質(zhì)防彈材料。無紡織物(針刺非織造氈)A機械防護服的相關研究織物材料的研究(4)無紡織物(針刺非織造氈):這類面料是采用數(shù)千枚特殊結(jié)構(gòu)的鉤針，穿過纖維網(wǎng)反復做上下運動，使整個纖維網(wǎng)變成相互纏繞、糾纏、彼此不離的致密氈狀無紡布。[1]大量的短纖維經(jīng)針刺構(gòu)成的織物，纖維間相互混亂糾纏，包合力好，形成的織物模量高、密度小，而模量和密度決定了纖維中應變波的傳播速度，所以這種非織造氈片抗沖擊性能好，最適用于機械防護服裝的織造。[1]王妮、趙玉梅、余建勇、程隆棣，防刺服裝的開發(fā)與研究，上海紡織科技，2005年12月，第33卷，第12期，22-24頁;機械防護服的相關研究防彈衣的分類軟體防彈衣:材料主要以高性能紡織纖維為主，這些高性能纖維遠高于一般材料的能量吸收能力，賦予防彈衣防彈功能，并且由于這種防彈衣一般采用紡織品的結(jié)構(gòu)，因而又具有相當?shù)娜彳浶?，稱為軟體防彈衣。1硬體防彈衣:以特種鋼板、超強鋁合金等金屬材料或者氧化鋁、碳化硅等硬質(zhì)非金屬材料為主體防彈材料，由此制成的防彈衣一般不具備柔軟性。2軟硬復合體防彈衣:軟硬復合式防彈衣的柔軟性介于上述兩種類型之間，它以軟質(zhì)材料為內(nèi)襯，以硬質(zhì)材料作為面板和增強材料，是一種復合型防彈衣。3機械防護服的相關研究目前防彈衣的研究成果[1]美軍突擊隊員新型防彈衣A俄軍新型防彈衣A英軍新一代防彈衣A法軍加強型防彈衣A德國MIL式軍用防彈衣A以色列兩種型號的防彈衣A泰國真絲防彈衣A中國TF90-54式防彈背心A[1]沙松雪.機械防護服裝面料抗沖擊性能研究[D].蘇州大學,2010.

咸興平[1]等人針對防彈衣，從其防護原理出發(fā)，總結(jié)了防彈服裝吸收能量的各種方式，以及防護性能的影響因素和測試方法。防彈衣吸收能量的方式主要包括織物的變形、織物的破壞、熱能、聲能、彈體的變形。而機械防護材料的防護性能影響因素還包括日光的照射、潮濕的影響、溫度的影響、設計結(jié)構(gòu)的影響，以及制作工藝等。根據(jù)服裝對防護性能的基本要求，其測試方式分為抗穿透能力和非貫穿性傷害兩大部分。機械防護服的相關研究防護性能的影響因素[1]咸興平、劉祿勝、于靜，防彈衣的防護機理及防護性能分析，中國個體防護裝備，2007年，第2期;防護性能的影響因素機械防護服的相關研究不同的織造方式面料對于機械防護性能的影響A不同的織物層數(shù)對于機械防護性能的影響B(tài)不同的沖擊速度對于高性能面料的受強力沖擊效果的影響D沖擊彈體對服裝防護性能的影響C防護性能的影響因素機械防護服的相關研究不同的織造方式面料對于機械防護性能的影響A

C.R.Cork和P.W.Foster[1]針對寬幅的織物和窄幅的織物彈道性能作了比較研究。研究結(jié)果表明方紋的寬幅編織面料能夠吸收的能量未必大于不平衡的窄幅編織面料，甚至，窄幅編織的面料比寬幅編織面料的吸收能量的能力更強。因此選擇窄幅編織面料要比整片的寬幅編織面料抗沖擊性能更強。[1]CorkCR,FosterPW.Theballisticperformanceofnarrowfabrics.IntJImpactEng2007;34(3):495-508.防護性能的影響因素機械防護服的相關研究

H.L.Gower等人[1]對于對層面料復合的防護性能進行了研究。在文章中，作者進行了對19層的Kevlar29和Kevlar129的復合材料進行了沖擊實驗，對復合材料的抗沖擊性能進行了最初的數(shù)字化研究，研究了多層復合材料對于非變形彈體抗強力沖擊能力。C.T.Lim等人[2]在單層的抗沖擊面料的基礎上拓展到雙層的抗沖擊面料的研究，針對不同的沖擊彈體形狀對于高性能織物受強力沖擊效果的影響。結(jié)果表明，雙層的面料吸收的能量并沒有因此而成倍增長。雙層面料吸收能量的增加的比例受到?jīng)_擊速度和彈體形狀的影響。不同的織物層數(shù)對于機械防護性能的影響B(tài)[1]BryanA.Cheeseman,TravisA.Bogetti.Ballisticimpactintofabricandcompliantcompositelaminates.CompositeStructures61,2003,161-173;[2]LimCT,TanVBC，CheongCH.Perforationofhigh-strengthdouble-plyfabricsystembyvaryshapedprojectiles[J].IntJImpactEng，2002,27:577一591;防護性能的影響因素機械防護服的相關研究沖擊彈體對服裝防護性能的影響C

H.Talebi等人[1]研究了錐形彈頭，彈頭的角度從30度到180度，每兩個彈頭角度相差15度的八個彈體對高性能紡織面料Twaron的沖擊效果的影響，利用有限元軟件對織物受到強力沖擊吸收的能量和形成的空洞的尺寸大小，壓力分布進行了研究。V.B.C.Tan等人[2]研究了包括半球狀、平頂、弧形尖頂、錐形尖頂四種不同頂部形狀的彈體對Twaron面料的沖擊效果。通過對四種不同形狀的彈體沖擊面料獲得的效果分析表明，面料受沖擊后造成的結(jié)果有兩方面的變化包括:拉平的物理性變化和原纖化的化學變化。研究結(jié)果表明，不同形狀的彈體對面料沖擊的效果有著明顯的差異。[1]H.Talebi,S.V.Wong,A.M.S.Hamouda,Finiteelementevaluationofprojectilenoseangleegectsinballisticperforationofhighstrengthfabric,CompositeStructures87(2009)314-320;[2]TanVBC,LimCT,CheongCH.Perforationofhigh-strengthfabricbyprojectilesofdifferentgeometry.IntJImpactEng2003;28:207-22;防護性能的影響因素機械防護服的相關研究不同的沖擊速度對于高性能面料的受強力沖擊效果的影響D

Bryan和Travis等人[15]和Lim等人[16]都介紹了彈道性能的影響因素，具體包括:紗線的材料性能、織物結(jié)構(gòu)、彈體的形狀與沖擊速度、織物抗沖擊的邊界條件、織物層數(shù)和之間的摩擦力。文章在前人研究的基礎上，從物理機械力學的角度，研究總結(jié)了高性能、高模量的面料彈道性能影響。[1]BryanA.Cheeseman，TravisA.Bogetti.Ballisticimpactintofabricandcompliantcompositelaminates.CompositeStructures61,2003,161-173;[2]LimCT,TanVBC，CheongCH.Perforationofhigh-strengthdouble-plyfabricsystembyvaryshapedprojectiles[J].IntJImpactEng，2002,27:577一591;A理論研究B模擬研究C實驗研究抗沖擊性能研究方法機械防護服的相關研究A理論研究抗沖擊性能研究方法(軟質(zhì)機械防護服裝)機械防護服的相關研究

軟質(zhì)機械防護服裝的抗沖擊性能主要取決于以下方面:纖維：纖維的拉伸強度、纖維的斷裂伸長和斷裂功、纖維的模量、纖維的取向度和應力波傳遞速度、纖維的細度、纖維的集合方式紗線：紗線的密度、紗線的結(jié)構(gòu)和表面特征織物：織物的面密度、織物的組織結(jié)構(gòu)、織物的剪切強度和彎曲強度、織物層的層數(shù)、服裝的結(jié)構(gòu)等。纖維抗沖擊性能研究方法(軟質(zhì)機械防護服裝)機械防護服的相關研究

織物在抗沖擊過程中的力學行為主要表現(xiàn)為纖維的粘彈性力學現(xiàn)象，主要通過纖維的蠕變、應力松弛表達。紗線抗沖擊性能研究方法(軟質(zhì)機械防護服裝)機械防護服的相關研究

[29]紗線抗沖擊力作用拉伸的過程為急性拉伸過程，在強力作用下，紡織材料產(chǎn)生的變形可分為可逆變形和不可逆變形，主要為傾斜纖維拉伸后沿紗線軸向排列，和纖維大分子間的滑移和斷裂而產(chǎn)生伸長。紗線抗沖擊作用形成沖擊波，沿紗線方向高速傳播，傳播速度為材料的聲速。[29]儲才元，紗線的力學性質(zhì)，《紡織材料學》第12章，中國紡織出版社，2005年5月，第1次印刷，224-238頁織物抗沖擊性能研究方法(軟質(zhì)機械防護服裝)機械防護服的相關研究

機械防護服裝在抗沖擊過程中主要表現(xiàn)為織物受到?jīng)_擊力作用的效果，所以織物的抗沖擊性能為機械防護服裝的防護性能的重要指標?？椢锏目箾_擊機理因材料類型的不同而有所區(qū)別。常用于機械防護服裝的面料類型主要有機織物、無緯織物、層壓板復合材料和無紡非織造物。[9,69][9]王浩，防彈衣及防彈用復合材料，高科技纖維與應用，2001年10月，第26卷，第5期;[69]RoylanceDK,WildeA，TocciG.Ballisticimpactoftextilestructures[J].TextileResJ,1973,43:34-41.織物抗沖擊性能研究方法(軟質(zhì)機械防護服裝)機械防護服的相關研究

機織物由經(jīng)紗和緯紗線構(gòu)成?？椢锏慕?jīng)、緯兩向的結(jié)構(gòu)和紗線性質(zhì)差異程度，對織物的抗沖擊性能有很大的影響?？椢锝?jīng)、緯方向的斷裂強力越強，織物的抗沖擊性能越好;當經(jīng)、緯紗的斷裂伸長率、織縮率和經(jīng)密、緯密相近時，經(jīng)緯紗系統(tǒng)同時發(fā)揮分擔負荷的最大作用，故抗沖擊性能好;反之，經(jīng)緯方向差異大的，由伸長能力差的一組紗線系統(tǒng)發(fā)揮主要作用，織物的抗沖擊性能差[30]。機織物抗沖擊性能作用機理儲才元，織物的基本力學性質(zhì)，《紡織材料學》第16章，中國紡織出版社，2005年5月，第1次印刷，289-304頁織物抗沖擊性能研究方法(軟質(zhì)機械防護服裝)機械防護服的相關研究

在抗沖擊過程中無緯布消除了織物中的纖維屈曲，使沖擊力作用后產(chǎn)生應力波的能量向外傳播得更快，進而顯著提機械防護服裝的抗沖擊性能。在此面料中纖維最重要的性質(zhì)是模量而不是強度，是模量和織物密度一起決定了纖維中應變波動傳播速度。這種織物抗沖擊性能好，最適合用于機械防護服裝抗高速沖擊作用。無緯織物抗沖擊性能作用機理織物抗沖擊性能研究方法(軟質(zhì)機械防護服裝)機械防護服的相關研究

復合材料主要采用層壓成型，復合材料層壓板受強力沖擊是一個復雜的過程，主要分為四個破壞階段:拉伸破壞階段、剪切破壞階段、分層破壞階段、熔融破壞階段。層壓板通過這四個階段吸收彈體的動能，轉(zhuǎn)化為層壓板的應變能，從而起到防護的作用。層壓板復合材料抗沖擊性能作用機理織物抗沖擊性能研究方法(軟質(zhì)機械防護服裝)機械防護服的相關研究

這種材料通常是有大量的短纖維經(jīng)針刺制成，短纖維間交叉點少，纖維含有自由末端，因此沒有應變波的固定反射點。在纖維自由末端處，反射波的振幅與原始應變波的振幅相反，所以相互抵消，纖維不會產(chǎn)生過度伸長，所以非織造材料具有良好的防護性能。無紡布抗沖擊性能作用機理B模擬研究抗沖擊性能研究方法機械防護服的相關研究

為減少機械傷害，由高強面料構(gòu)成的機械防護服裝被廣泛地運用于機械防護裝甲領域，但機械防護測試為破壞性試驗，并且國家對于槍支彈藥控管相當嚴格，作為一個經(jīng)濟效益高的方法，有限元模型有效地反應了面料在具體情況下的抗沖擊效應.用來預測機械防護服裝面料的有限元模擬在防御和商業(yè)領域已經(jīng)引起廣泛興趣并作為課題研究了很多年。盡管面料的抗沖擊條件很復雜，大部分的模型對面料的抗沖擊反應的模擬都盡可能多地接近真實的沖擊性能。

C實驗研究抗沖擊性能研究方法機械防護服的相關研究對抗沖擊性能的實驗研究需要用到高速沖擊實驗儀器，高速相機測試儀器等，費用非常高，實現(xiàn)比較困難。可以通過機械防護性能檢測設備，研究面料的抗沖擊性能。FOUR人體損傷分析

現(xiàn)有的防彈衣后損傷相關研究認為，胸部防彈衣后損傷主要體現(xiàn)為兩個方面:(1)局部臟器損傷（2）遠達腦損傷。胸部防彈衣后損傷局部臟器損傷主要表現(xiàn)為后鈍性挫傷為特點的心肺損傷。肺臟損傷包括局部的出血和肺泡以及肺間質(zhì)的水腫，嚴重時表現(xiàn)為急性呼吸窘迫綜合癥。心臟損傷表現(xiàn)為心內(nèi)膜、瓣膜出血，心功能下降、心率異常[3,4]。國外研究報道，在胸壁中彈時后出現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)的改變[3-4]，損傷主要表現(xiàn)為輕型創(chuàng)傷性腦損傷(mTBI)。人體損傷分析[3]DrobinD,GrythD,PerssonJK,etal.Electroencephalogram,circulation,andlungfunctionafterhigh-velocitybehindarmorblunttrauma.[J]Trauma.Aug2007;63{2):405-413.[4]GrythD,RocksenD,ArboreliusUP,etal.Bilateralvagotomyinhibitsapneaandattenuatesotherphysiologicalresponsesafterbluntchesttrauma.明Trauma.Jun2008;64(6):1420-1426.

國外學者采用尸體、假人及計算機仿真有限元分析等方式研究了防彈衣后鈍性傷的發(fā)生機制，提出了其與碰撞后防彈衣的瞬時變形所產(chǎn)生的壓力波以及剪切力有關。壓力波可以對彈著點下組織形成沖擊傷;剪切力可以導致器官的挫裂傷[3,5-7];除了壓力波和剪切力外，防彈衣后瞬時形變產(chǎn)生的加速度也可能是導致?lián)p傷的原因之一。并且碰撞產(chǎn)生的壓力波可以通過某些機制傳遞至顱內(nèi)，導致遠達腦損傷。人體損傷分析[3]DrobinD,GrythD,PerssonJK,etal.Electroencephalogram,circulation,andlungfunctionafterhigh-velocitybehindarmorblunttrauma.[J]Trauma.Aug2007;63{2):405-413.[5]CourtneyMW,CourtneyAC.Workingtowardexposurethresholdsforblast-inducedtraumaticbraininjury:Thoracicandaccelerationmechanisms.Neuroimage.May17,2010.[7]RobertsJC,WardEE,O'ConnorJV.Modelingtheeffectofnonpenetratingballisticimpactasameansofdetectingbehindarmorblunttrauma.[J]Trauma,2005,58(6):1241-1251.人體損傷分析人體傷害評價可分為傷害分級和傷害定量測定兩類[1]。人體耐沖擊性的物理量一般采用加(減)速度、負荷、壓力、位移(變形量)來衡量，特別是加速度，它是能準確表示沖擊大小的尺度，測量和數(shù)據(jù)處理也比較容易，所以應用很廣[1]。討論高速彈丸沖擊下胸部的耐沖擊性時，可按兩種傷害形式來考慮。一種是沖擊胸部貫穿胸部，直接對內(nèi)臟造成傷害，但這種可能非常小;另一種是沒有貫穿，只有壓迫胸部局部，產(chǎn)生包括肋骨、胸骨骨折在內(nèi)間接傷害[1]。胸部鈍性彈道沖擊可以導致人體內(nèi)部器官損傷。其損傷機理主要包括以下兩種:一是胸骨和肋骨對中間器官的擠壓和剪切力造成心臟及其周邊組織的結(jié)構(gòu)性損傷;二是壓力波在人體中傳播所引起的遠隔部位損傷[2]。[1]衛(wèi)恒吉.復合式防彈衣對人體胸部防護性能的仿真研究[D].上海交通大學,2006.（思路可用）[2]劉海.胸部鈍性彈道沖擊致間接腦損傷的力學響應數(shù)值模擬研究[D].第三軍醫(yī)大學,2014.FIVE有限元法在彈頭侵徹防彈衣分析中的應用

目前，基于人體有限元模型的防彈衣后效應仿真分析在國內(nèi)外處于起步階段，但缺乏系統(tǒng)研究，如在軟體、硬體防彈衣防護下人體受到同種殺傷元撞擊時各器官的損傷效應、同種防彈衣防護下不同殺傷元作用時受損程度的研究，未見相關文獻報道。并且，目前尚無適用于中國人的人體有限元模型[39-41]。對人體軀干對彈道沖擊的響應，評價防彈衣的設計和性能，明確軀干的損傷機制，對鈍擊傷的發(fā)生機制、胸腔對非貫穿性作用的力學響應和組織損傷的關系的相關研究已成為目前研究關注的熱點。[39]張良.準靜態(tài)撞擊下豬胸腔內(nèi)應力分布及其三維重現(xiàn)與肺損傷[D]，第三軍醫(yī)大學碩士學位論文，2005.5[40]石更強，基于逆向工程個性化三維仿生膝關節(jié)股骨和脛骨部分的精確建模[J]，中國組織工程研究與臨床康復，2008.8.26,12(35):6831~6834[41]李安安，劉謙，曾紹群，唐雷，鐘世鎮(zhèn)，駱清銘，高分辨數(shù)字人體三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集的構(gòu)建與可視化[J]，科學通報，2008,53(10):1189~1195研究現(xiàn)狀[1]董萍.手槍彈對帶軟體防彈衣人體軀干靶標鈍擊作用的建模與仿真研究[D].南京理工大學,2012.[24]李裕春，時黨勇，趙遠.ANSYS11.0LS-DYNA基礎理論與工程實踐[M]，中國水利水電出版社，2008[25]尚曉江，蘇建宇，王化鋒等.ANSYSLS-DYNA動力分析方法與工程實例(第二版)[M].中國水利水電出版社，2008研究現(xiàn)狀[1]手槍彈包含兩部分鋼套和鉛芯的材料模型均采用GRUNEISEN狀態(tài)方程下的MATJOHNSONCOOK彈塑性材料模型，Johnson-Cook材料模型是描述材料在大變形、高應變率下和高溫下的本構(gòu)模型，適用于許多材料。Johnson-Cook材料模型在較低的應變率條件下，甚至在準靜態(tài)范圍內(nèi)仍然有效。該模型的典型應用包括金屬爆炸成型、彈道侵徹和沖擊[24.25][1]董萍.手槍彈對帶軟體防彈衣人體軀干靶標鈍擊作用的建模與仿真研究[D].南京理工大學,2012.[37]Chang,F.K.,andChang,K.Y,Post-Failureanalysisofboltedcompositejointsintensionorshear-outmodefailure[J].J.ofCompositeMaterials,1987,21，809~833.[38]Chang,F.K.,andChang,K.Y,Aprogressivedamagemodelforlaminatedcompositescontainingstressconcentration[J].J.ofCompositeMaterials,1987,21，834~855.研究現(xiàn)狀[1]

通過對實驗用到的防彈衣進行結(jié)構(gòu)分析，該軟體防彈衣屬于層合結(jié)構(gòu)，層與層之間粘接在一起。因此本文賦予防彈衣帶損傷的復合材料模型。復合材料的破壞強度主要和材料自身性能以及受載后的應力狀態(tài)、應變狀態(tài)有關，本研究運用了chang-chang準則[37,38]作為復合材料的失效準則。董萍.手槍彈對帶軟體防彈衣人體軀干靶標鈍擊作用的建模與仿真研究[D].南京理工大學,2012.研究現(xiàn)狀[1]人體軀干的骨架(胸骨、軟骨、肋骨和脊柱)采用MATVICOELASTIC（MAT粘彈性）材料模型。該模型簡單，忽略了熱效應影響，并且不需要狀態(tài)方程來描述。將皮膚和肌肉、縱隔、器官(心臟、肺臟、肝臟、胃)定義為粘彈性材料，LS-DYNA中的粘彈性材料(Visoelastic)采用HerrmanandPeterson[53]提出的線粘彈性MATVISCOELASTIC材料模型。其應力變量采用線性粘彈性假設彈頭簡化成直徑為1cm，高為4cm的圓柱體。彈頭材料：帶失效應變的理想彈塑性模型，solid164實體單元防彈衣（靶體）為邊長為l0cm，高度1.5cm的長方體模型，為減少計算，取關于Z軸對稱的1/2模型。防彈衣材料：以高斯狀態(tài)方程約束的JOHNSON_COOK塑性模型，solid164的實體單元模型不是很正確，但理論知識很強研究現(xiàn)狀[2][2]徐偉.基于ANSYS的彈頭侵徹防彈衣的仿真研究[D].西華大學,2011.[3]衛(wèi)恒吉.復合式防彈衣對人體胸部防護性能的仿真研究[D].上海交通大學,2006.（思路可用）研究現(xiàn)狀[3]介紹了胸部生理結(jié)構(gòu)及傷害評價，骨骼力學特性，復合式防彈衣的結(jié)構(gòu)[3]衛(wèi)恒吉.復合式防彈衣對人體胸部防護性能的仿真研究[D].上海交通大學,2006.（思路可用）研究現(xiàn)狀[3]模型的幾個假設:1)子彈不能穿透防彈衣2)復合式防彈衣還有止裂層，背面和面板之間有膠貼層，但是考慮到相對于背板和面板來說非常薄，加之模量非常小，對于防彈衣的防彈性能影響不大，故在實際建模中可以忽略。3)人體胸部的實際結(jié)構(gòu)中，有皮膚，皮下組織，還有肌肉，由于這些組織相對于骨骼來說，參數(shù)小，而且當只有這些組織受傷時，人體損傷影響很小，雖然實際中這些組織和骨骼是分不開的，但是在實際模型中可以不考慮。1)將彈丸簡化為由一半球體與一園柱體構(gòu)成的整體。2)由于防彈衣整體模型建立會增加很大的單元數(shù)目，所以在實際模型中我們?nèi)∏靶匾徊糠诌M行研究，并簡化為規(guī)則形狀。3)人體肋骨實際為拱形，且形狀結(jié)構(gòu)和連接者較為復雜，為了方便研究，將肋簡化為較規(guī)格形狀該論文做了二維實驗來模擬子彈沖擊復合式防彈衣對胸部的影響，二維不可取，人體模型不可取，防彈衣模型不可取……思路和理論知識可以。[4]汪世奎.基于生物力學的跑步防護運動褲的研究[D].上海工程技術大學,2014.研究現(xiàn)狀[4]

Solid186單元是高階的六面體二十節(jié)點單元，通過二十個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有三個自由度，分別為X,Y,Z三個方向的位移，幾何結(jié)構(gòu)、節(jié)點位置，如圖4-1所示，單元具有塑性、超彈性、蠕變、大變形以及大應變等能力。而且該單元能夠精確的模擬膝關節(jié)幾何形狀，適合不規(guī)則的幾何體，模擬幾乎不可壓縮彈塑材料和完全不可壓縮超彈性材料，比較容易的自動生成網(wǎng)格，縮短了后期的分析計算周期。[4]汪世奎.基于生物力學的跑步防護運動褲的研究[D].上海工程技術大學,2014.研究現(xiàn)狀[4]該論文對膝關節(jié)損傷載荷描述不清，防護載荷施加位置沒有說明依據(jù)，原理不明。分別為肌肉、心臟、肺、肝臟定義粘彈性材料特性參數(shù)，為肋骨和胸骨、椎骨、肋軟骨、其它骨骼(鎖骨、肩，胛骨和肱骨頭)定義了線彈性料特性參數(shù)。模型各部分之間的界面使用共節(jié)點的方式約束，即不允許接觸界面間存在穿透和相對滑動。研究現(xiàn)狀[5][5]張治綱.用于爆炸防護分析的人體胸部有限元模型研究[D].第三軍醫(yī)大學,2008.胸部模型采用SOLID164（八節(jié)點六面體單元）沖擊簡化模型，使用長軸350mm,短軸240mm,高700mm的橢圓柱表示人體胸部，使用直徑37mm、長度137mm的球形頭部圓柱表示沖擊頭。沖擊頭使用線彈性材料模型(質(zhì)量密度830kg/m3、彈性模量3.05GPa、泊松比0.45、人體胸部使用肌肉組織粘彈性材料參數(shù)。通過三種不同網(wǎng)格劃分方法對模型的沖擊性能進行研究，四面體轉(zhuǎn)六面體和直接六面體網(wǎng)格劃分方法結(jié)果差異不大，直接四面體網(wǎng)格劃分中途出現(xiàn)錯誤。研究現(xiàn)狀[5][5]張治綱.用于爆炸防護分析的人體胸部有限元模型研究[D].第三軍醫(yī)大學,2008.用PVC棒和有限元模型模擬沖擊性能通過用不同的PVC棒的質(zhì)量、初速度模擬PVC的沖擊作用力、胸壁變形。仿真結(jié)果與尸體實驗結(jié)果對比，結(jié)果雖存在誤差，但都在最大值和最小值之間。該論文只對彈頭沖擊人體胸部做了沖擊試驗，但未涉及防彈衣。研究現(xiàn)狀[5][5]張治綱.用于爆炸防護分析的人體胸部有限元模型研究[D].第三軍醫(yī)大學,2008.PVC棒(polyvinylchloride,聚氯乙烯)研究現(xiàn)狀[6]子彈原型：國5.56mm步槍彈子彈被甲部分選用GRUNEISEN狀態(tài)方程下的MAT_JOHTNSON_COOK材料模型，鉛套和鋼芯部分選用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型。JOHNSON_COOK材料模型是描述材料在大變形、高應變率下和高溫下的本構(gòu)模型，適用于金屬爆炸成型、彈道侵徹和沖擊過程的模擬仿真[24]。防彈