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作者：王琳淇南京理工大学

学位级别：硕士

随着杀伤元的多样化,枪弹、破片以及爆炸冲击波等都会对战斗人员造成损伤,防弹衣这一单兵防护装备目前已被广泛的应用到各个领域,且在防护性能、舒适性等方面不断更新优化。尽管目前人们对防弹衣的防弹性能和机理有着深入了解,但对防护... 详细信息

随着杀伤元的多样化,枪弹、破片以及爆炸冲击波等都会对战斗人员造成损伤,防弹衣这一单兵防护装备目前已被广泛的应用到各个领域,且在防护性能、舒适性等方面不断更新优化。尽管目前人们对防弹衣的防弹性能和机理有着深入了解,但对防护过程中造成的钝击效应和损伤情况仍缺乏认识。本文采用试验与数值计算相结合的方法,重点研究了手枪弹侵彻软防护后不同背衬材料所造成的钝击效应,为防护后钝击效应的研究提供了重要参考,并形成了一套完整的轻武器钝击效应试验与数值计算方法。本文的主要工作和研究成果如下:根据防弹衣安全测试标准,需要对防弹衣在不同弹着点与不同入射角度进行6发有效射击。为了试验过程中的安全性与连续性,自主设计一套单兵防护装备测试系统,以满足测试过程中的射击条件。首先是对靶架系统主体结构的设计,构建了升降与回转的驱动系统,其中升降采用电推杆驱动,回转采用电机与滚珠轴承驱动系统驱动。对靶架的电控系统进行控制的初步设计与能源的选择。其次构建了弹道枪架系统的旋转结构与俯仰结构,靶架系统与弹道枪架系统共同构成单兵防护装备测试系统,能够实现在防弹衣测试过程中改变弹着点位置、改变入射角度的功能。首先利用万能材料试验机对胶泥、肥皂进行了三种不同温度、不同应变率下的准静态压缩试验。试验结果表明,在准静态压缩下胶泥与肥皂的应力应变曲线都具有凸向上的非线性特征。其次使用霍普金森杆(SHPB)配合PVDF压电薄膜传感器获得了两种材料在高应变率状态下的应力应变曲线,并对试件的惯性效应进行了修正。实验结果表明,两种材料的应力应变曲线具有明显的非线性特征和应变率敏感性。对两种典型杀伤元9 mm手枪弹与7.62 mm手枪弹侵彻软防护模拟靶标时的钝击效应进行了实验研究,获得了两种弹丸造成的钝击效应试验数据和作用特征;通过对比分析同种弹丸对不同背衬材料造成的钝击效应,以及不同弹丸对相同背衬材料造成的钝击效应,得到了不同速度、动量条件下,弹丸对背衬材料所造成的钝击凹陷深度、直径、体积之间的变化规律。通过试验与数值模拟对比的方法研究手枪弹侵彻软防护模拟靶标的钝击效应。采用LS-DYNA仿真软件计算手枪弹侵彻软防护模拟靶标过程中的钝击现象,根据背衬材料的应力应变曲线,确定本构模型,并标定出各材料参数,建立精确的数值模拟计算模型。分别获得了胶泥、肥皂、明胶三种背衬材料作为模拟靶标,钝击凹陷和压力波的形成与变化规律,进一步揭示了手枪弹非贯穿伤钝击效应作用机理,并得出三种背衬材料受到冲击后的钝击凹陷和压力波的钝击效应评估数据。

关键词：模拟靶标力学性能钝击效应数值模拟损伤评估

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枪弹对戴防护人体靶标钝击效应研究

枪弹对戴防护人体靶标钝击效应研究

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作者：许倞南京理工大学

学位级别：硕士

现代战争中,防弹衣的使用有效防止了枪弹对人体的穿透伤害,但是高速子弹造成的防弹衣背面变形仍可能对人体组织产生严重的钝性损伤。钝性损伤致伤机理复杂,救治困难,对战场上士兵的生命安全产生严重威胁。因此,枪弹对戴防弹衣人体靶标... 详细信息

现代战争中,防弹衣的使用有效防止了枪弹对人体的穿透伤害,但是高速子弹造成的防弹衣背面变形仍可能对人体组织产生严重的钝性损伤。钝性损伤致伤机理复杂,救治困难,对战场上士兵的生命安全产生严重威胁。因此,枪弹对戴防弹衣人体靶标钝击效应的研究是当下一个重要的研究课题。本文开展了枪弹侵彻戴不同防护人体胸廓靶标钝击效应数值模拟,通过3D-DIC试验验证了数值模型的准确性,揭示了枪弹侵彻过程中的人体软组织和骨架的损伤机理。基于猪心脏和肝脏的动态力学性能测试结果,建立了适用于生物软组织的双线性率相关本构模型,使用该模型对软组织的动态力学性能测试结果进行了拟合,得到了猪心脏和肝脏的材料参数。编写了适用于Abaqus材料库的VUMAT材料本构子程序,使用拉伸单个单元的方式对本构模型进行了验证。开展了基于3D-DIC的9mm手枪弹侵彻NIJⅢA级软质防弹衣和SS109步枪弹侵彻NIJⅢ级防弹插板的弹道试验,使用侧面拍摄的变形数据与3D-DIC结果进行了对比,验证了3D-DIC试验数据的可靠性。进行了手枪弹侵彻软质防弹衣和步枪弹侵彻防弹插板的数值模拟,并通过与3D-DIC试验对比对数值模型进行了验证,最终获得了侵彻过程中子弹、靶板的变形和应力场演化情况。试验中软质防弹衣的BFS高度在600μs为37.4 mm,数值模型中为41.6 mm,相对误差为12.9%;试验中防弹插板的最大BFD高度为19.38 mm,数值模型中为18.72 mm,相对误差为3.4%。开展了基于日本丰田THUMS有限元模型的枪弹对戴不同防护人体胸廓靶标钝击效应的数值模拟,研究了在不同防护、不同子弹冲击下胸肋骨、肌肉组织和主要器官应力场随时间的演化过程,并进一步分析了弹着点中心处肌肉、距弹着点20mm处肌肉、骨架和不同器官特征点的加速度、位移、等效应力、压力随时间的变化,最终得出肺和肝脏受钝击伤的概率最大。手枪弹侵彻下表皮肌肉最大应力为9.07 MPa,胸肋骨最大应力为21.34 MPa,肺的最大应力为572.63 kPa,肝脏的最大应力为366.12 kPa;步枪弹侵彻下表皮肌肉最大应力为10.80 MPa,胸肋骨最大应力为22.82 MPa,肺的最大应力为464.01 kPa,肝脏的最大应力为865.03 kPa。

关键词：本构模型软质防弹衣防弹插板枪弹 VUMAT 钝击效应

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手枪弹撞击戴防弹头盔人体头颈部靶标的钝击效应

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兵工学报 2022年第9期43卷 2101-2112页

作者：沈周宇温垚珂闫文敏董方栋张俊斌李颖南京理工大学机械工程学院江苏南京210094 中国兵器工业第208研究所瞬态冲击技术重点实验室北京102202 63856部队吉林白城137001 解放军东部战区空军医院江苏南京210002

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... 详细信息

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,C_(2)~C_(3)椎间盘上的应力最大,达到2.65 MPa。

关键词：防弹头盔头颈部靶标手枪弹钝击效应

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基于ODI方法的防暴动能弹钝击效应影响因素分析

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火力与指挥控制 2019年第11期44卷 78-83页

作者：涂明聪汪送武警工程大学装备管理与保障学院西安710086 武警湖南总队参谋部勤务保障大队长沙410008

为提高防暴动能弹的设计安全性和使用安全性,需要确定影响其钝击效应的关键因素,并区分因素属性,采用基于OWA算子集成DEMATEL-ISM的方法(ODI方法),构建因素间的递阶层次结构模型,确定冲击加速度、冲击位移是影响防暴动能弹钝击效应的关... 详细信息

为提高防暴动能弹的设计安全性和使用安全性,需要确定影响其钝击效应的关键因素,并区分因素属性,采用基于OWA算子集成DEMATEL-ISM的方法(ODI方法),构建因素间的递阶层次结构模型,确定冲击加速度、冲击位移是影响防暴动能弹钝击效应的关键因素,比动能、动能为底层原因因素。研究结论对防暴动能弹钝击效应致伤标准制定和损伤等级评定具有借鉴意义。

关键词：防暴动能弹钝击效应 OWA算子 DEMATEL-ISM 因素分析

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枪弹对戴防弹头盔人体头颈部靶标钝击效应研究

枪弹对戴防弹头盔人体头颈部靶标钝击效应研究

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作者：罗小豪南京理工大学

学位级别：硕士

现代战场上,防弹头盔的使用有效减少了枪弹对人体头部的穿透性损伤,但是高速子弹造成的头盔内表面变形仍可能对颅脑产生严重的钝性损伤。防护后钝性损伤机理复杂,对战场上士兵的生命安全有严重威胁。因此,枪弹对戴防弹头盔人体头颈部钝... 详细信息

现代战场上,防弹头盔的使用有效减少了枪弹对人体头部的穿透性损伤,但是高速子弹造成的头盔内表面变形仍可能对颅脑产生严重的钝性损伤。防护后钝性损伤机理复杂,对战场上士兵的生命安全有严重威胁。因此,枪弹对戴防弹头盔人体头颈部钝击效应的研究是当下一个重要的研究课题。本文基于复合材料多尺度分析法进行了枪弹侵彻戴防弹头盔人体头颈部靶标钝击效应数值模拟,通过3D-DIC试验验证了数值模型的准确性,揭示了手枪弹侵彻过程中的颅脑损伤和颈部损伤机理。采用霍普金森拉杆和万能试验机进行了UHMWPE纤维束的准静态拉伸、动态拉伸以及防弹头盔泡沫衬垫的准静态压缩试验,获得了两种材料在不同应变率下的应力应变曲线。基于复合材料渐进多尺度分析思想,建立了UHMWPE单向纤维层在细观尺度下的周期性单胞模型,研究了单胞模型的损伤演化过程,得出了宏观均匀化UHMWPE单向纤维层的材料性能。编写了适用于模拟UHMWPE防弹头盔力学性能的3D-Hashin渐进损伤本构模型,进行了手枪弹侵彻UHMWPE防弹头盔的数值模拟,并通过3D-DIC试验对数值模型进行了验证。三组试验中的BFD最大值分别为29.7 mm、27.7 mm、26.6 mm,数值模型中的BFD最大值为27.5 mm,数值模拟和试验平均值相对误差仅为1.8%。研究了侵彻过程中子弹速度衰减、防弹头盔的失效模式以及外表面和内表面的等效应力分布情况。分析了子弹不同入射方向对防弹头盔杀伤效应的影响,发现正面射击杀伤力最强,侧面射击杀伤力最弱,杀伤效应与防弹头盔表面曲率有较大关系。构建了高精度人体头颈部有限元模型,开展了枪弹对戴防弹头盔人体头颈部靶标钝击效应的数值模拟,研究了子弹从正面侵彻时,颅骨、脑组织和颈椎应力随时间的演化过程,并进一步分析了子弹不同射击方向对钝击效应的影响。正面射击中颅骨应力达到最大值18.1 MPa,侧面射击颅骨应力最小,仅为5.1 MPa,大脑在顶部射击中最大压力达到了脑组织中的最大值445.8 Pa。颈椎中寰椎应力达到了2.04 MPa,C2-C3和C3-C4的椎间盘髓核是椎间盘中应力最大的位置,最大应力达到了0.42 MPa。

关键词：防弹头盔手枪弹 VUMAT 内表面变形钝击效应

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