非侵徹條件下豬體和明膠靶內(nèi)壓力衰減試驗研究

曾 鑫， 周克棟， 赫 雷， 金永喜， 崔海林， 王浩圣， 李兵倉

(1. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094；2. 中國兵器第二0八研究所，北京 102202；3. 第三軍醫(yī)大學(xué) 大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所，重慶 400042)

非侵徹條件下豬體和明膠靶內(nèi)壓力衰減試驗研究

曾 鑫1， 周克棟1， 赫 雷1， 金永喜2， 崔海林2， 王浩圣2， 李兵倉3

(1. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094；2. 中國兵器第二0八研究所，北京 102202；3. 第三軍醫(yī)大學(xué) 大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所，重慶 400042)

為研究某小口徑彈丸非侵徹條件下機(jī)體內(nèi)的壓力傳遞，采用壓力動態(tài)采集系統(tǒng)，通過某小口徑彈丸以不同撞擊速度對長白豬和明膠靶標(biāo)進(jìn)行非侵徹防護(hù)射擊試驗，得到了靶內(nèi)不同位置處的壓力值。試驗結(jié)果表明：彈丸速度越大，靶內(nèi)產(chǎn)生的壓力峰值越高，且壓力峰值隨距撞擊點距離呈指數(shù)衰減；長白豬體內(nèi)的壓力衰減速度大于明膠靶標(biāo)中的壓力衰減速度；皮膚的吸能能力與撞擊速度有很大的關(guān)系。該試驗結(jié)果對傷員的救治、建立損傷標(biāo)準(zhǔn)及槍彈設(shè)計改型具有重要意義。

防護(hù)；壓力衰減；非侵徹；明膠靶標(biāo)；長白豬；試驗研究

現(xiàn)代戰(zhàn)爭和反恐中，人體因為子彈的穿通傷會造成重要臟器的損傷或是大出血，導(dǎo)致作戰(zhàn)人員即刻死亡或是完全喪失作戰(zhàn)能力，使用防彈衣及防彈頭盔后，穿透傷而傷亡的人員數(shù)得到有效的減小，但會因防彈衣瞬間變形而高速撞擊人體，產(chǎn)生能量傳遞而造成胸腹部器官鈍性損傷，因高速撞擊所產(chǎn)生的壓力波也會對遠(yuǎn)離撞擊點人體組織造成損傷[1-6]，由于此類創(chuàng)傷機(jī)理非常復(fù)雜，很難清晰闡述此類創(chuàng)傷的力學(xué)機(jī)制，救治中也很難處理，因此有必要對相應(yīng)的人體壓力響應(yīng)特點進(jìn)行試驗探討。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對創(chuàng)傷領(lǐng)域的試驗研究主要借助于動物或明膠靶標(biāo)等來進(jìn)行試驗[1,7-10]，由于豬的胸腔內(nèi)容物在生理和解剖上較接近于人，因此國內(nèi)外學(xué)者在防彈衣鈍挫傷實驗研究中通常以豬作為人體的替代靶標(biāo)[11-14]。本文以某小口徑彈丸侵徹長白豬和明膠靶標(biāo)時，距離撞擊點不同距離位置處的最大壓強(qiáng)為研究對象進(jìn)行試驗研究，探討高速彈丸對有防護(hù)下機(jī)體內(nèi)的壓力響應(yīng)和能否以明膠靶標(biāo)作為生物的替代物進(jìn)行壓力響應(yīng)試驗，為進(jìn)一步研究受高速撞擊時防護(hù)后的機(jī)體損傷機(jī)理的研究提供試驗支撐。

1 試驗方法

壓力試驗原理如圖1所示，主要由發(fā)射系統(tǒng)、光電測速靶、靶標(biāo)系統(tǒng)和測壓系統(tǒng)組成，發(fā)射系統(tǒng)主要包括某小口徑彈道槍和槍彈，通過調(diào)節(jié)槍彈裝藥量來控制彈丸撞擊防護(hù)材料的速度；觸發(fā)器用來觸發(fā)測速靶和測壓系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，光電測速系統(tǒng)記錄彈丸撞擊靶標(biāo)系統(tǒng)前的速度；靶標(biāo)系統(tǒng)用來模擬穿著防彈衣的人體，靶標(biāo)系統(tǒng)主要分為長白豬(麻醉狀態(tài)下)+防護(hù)材料和明膠靶標(biāo)+防護(hù)材料，防護(hù)材料均為NIJ Ⅲ級防彈插板+警用Ⅱ級防彈材料，將防護(hù)材料和靶標(biāo)連接，然后把整個靶標(biāo)系統(tǒng)置于試驗臺上，如圖2所示；測壓系統(tǒng)由PCB113B24壓電式壓力傳感器(測量量程為5 MPa,測量精度為0.5級)、數(shù)據(jù)連接線和PXI-6133數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(最高采樣率是2.5 MS/S,14BIT分辨率)組成，傳感器在靶標(biāo)內(nèi)的埋置如圖2所示，利用靶標(biāo)內(nèi)不同位置處的壓力傳感器記錄不同位置處的壓力值。

本文試驗分為生物試驗和非生物試驗，生物試驗中所用靶標(biāo)為健康長白豬(麻醉狀態(tài)下)，體重60±5 kg，長白豬體內(nèi)埋置4個壓力傳感器，傳感器埋置于皮下、心、肺、肝臟等易受損臟器位置，4個傳感器距撞擊點距離分別為80 mm、100 mm、120 mm、160 mm，射擊點為脊柱；非生物試驗中所用靶標(biāo)為10%濃度的明膠靶標(biāo)，規(guī)格為300 mm×300 mm×300 mm，明膠內(nèi)埋置5個壓力傳感器，傳感器埋置狀態(tài)如圖2(b)所示，每個傳感器水平方向上相距50 mm，射擊點為靶標(biāo)中心。

圖1 壓力試驗原理示意圖Fig．1Theschematicdiagramofpressuretest圖2 靶標(biāo)系統(tǒng)Fig．2Thetargetsystem

2 試驗結(jié)果

所有試驗在室溫下進(jìn)行，保證彈丸為垂直撞擊或接近垂直撞擊，彈丸撞擊前姿態(tài)由高速攝影系統(tǒng)觀測并記錄。試驗發(fā)現(xiàn)：在沖擊波反射之前，邊界對壓力波傳遞的影響可以忽略，可以假定壓力波在靶標(biāo)內(nèi)的傳遞為球形波傳遞，每個傳感器到撞擊點的距離就假定為它們兩點之間的直線距離。預(yù)定撞擊速度為600 m/s、750 m/s、900 m/s，撞擊速度由彈丸裝藥量控制，并由光電測速系統(tǒng)檢測并記錄。

非侵徹條件下明膠靶標(biāo)的損傷情況主要表現(xiàn)在材料的屈服變形和失效，無明顯的損傷現(xiàn)象，而肌肉的損傷伴隨著出血等較明顯的現(xiàn)象，故本文中只給出長白豬易受損部位的損傷情況，如圖3所示。

圖3 長白豬易受損部位損傷圖Fig.3 The wounding diagram of the vulnerable parts of Landrace

由圖3可以發(fā)現(xiàn)：① 彈丸沒有貫穿防彈材料；② 距撞擊點較近的皮膚有明顯的出血現(xiàn)象，而距撞擊點稍遠(yuǎn)處的肺部，只有少許的點片狀出血。

試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，明膠靶標(biāo)試驗結(jié)果重復(fù)性較好，這是因為明膠靶標(biāo)熬制過程相同、濃度相同，故明膠靶標(biāo)材料屬性基本相同，而且傳感器的埋置簡單、精確；生物體是個很復(fù)雜的機(jī)體，即使是同一批次的健康長白豬、個體差異不大，但不同個體之間的“材料”屬性差異較大，而且生物體內(nèi)的傳感器埋置復(fù)雜、固定較難，導(dǎo)致傳感器測量不準(zhǔn)甚至未觸發(fā)，這樣就需要進(jìn)行多次試驗。如果兩次試驗結(jié)果相近則完成該組試驗，若兩次試驗結(jié)果差異較大，則再進(jìn)行重復(fù)試驗，每組試驗取兩次相近的試驗結(jié)果，如表1和表2所示。表中V1表示預(yù)定速度，V2表示實際速度，E表示彈丸的動能。

表1 長白豬試驗壓力峰值結(jié)果

表2 明膠靶標(biāo)試驗壓力峰值結(jié)果

由表1和表2發(fā)現(xiàn)：不同速度的彈丸侵徹長白豬或明膠靶標(biāo)試驗得到的距撞擊點80 mm處的壓力峰值相差較大：撞擊速度為600 m/s時，壓力相差400%，撞擊速度為750 m/s時，壓力相差200%，而當(dāng)撞擊速度達(dá)到900 m/s時，壓力峰值近似相同。 分析發(fā)現(xiàn)：長白豬實驗和明膠靶標(biāo)試驗中，造成距撞擊點80 mm處的壓力峰值有較大差異最主要的原因是長白豬肌肉外有一層皮膚，壓力波在肌肉中傳遞之前必須先經(jīng)過皮膚中的傳遞，此過程使壓力峰值得到衰減。由表1及表2可知：彈丸的撞擊速度較低時，彈丸傳遞給靶標(biāo)的總能量相對較少，皮膚對壓力傳遞的損失所占總能量的比例就越高；彈丸的撞擊速度很高時(900 m/s)，彈丸傳遞給靶標(biāo)的總能量相對較高，皮膚對壓力傳遞的損失所占總能量的比例就越低。而這種現(xiàn)象在明膠靶標(biāo)試驗中是體現(xiàn)不出來的。

對長白豬試驗及明膠靶標(biāo)試驗所測得的壓力峰值數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)用指數(shù)曲線模型P=a×eb×L進(jìn)行擬合時，擬合曲線精度最高，各組實驗結(jié)果的擬合參數(shù)如表3所示。

由表3可知，六次長白豬試驗結(jié)果的擬合曲線的最小相關(guān)系數(shù)R2為0.962，查詢相關(guān)系數(shù)與置信度關(guān)系的檢驗表[15]可知：擬合曲線的置信度為95%，長白豬試驗結(jié)果的擬合曲線如圖4所示；六次明膠靶標(biāo)試驗結(jié)果的擬合曲線的最小相關(guān)系數(shù)R2為0.981，查表可知擬合曲線的置信度為99%，明膠靶標(biāo)試驗結(jié)果的擬合曲線如圖5所示。

表3 曲線擬合參數(shù)

圖4 長白豬試驗壓力峰值擬合曲線圖Fig.4 The peak pressure fitting curve in Landrace test(注：圖中Exp表示實驗值，F(xiàn)it表示擬合曲線，且圖5、圖6中也一樣)

圖5 明膠靶標(biāo)試驗壓力峰值擬合曲線圖Fig.5 The peak pressure fitting curve in gelatin target test

由表1和表2可知，某小口徑彈丸侵徹同一靶標(biāo)(長白豬或明膠靶標(biāo))，當(dāng)撞擊速度相近時：① 距撞擊點相同距離處的壓力峰值基本相同；② 由圖4和圖5可以看出，不同位置處的壓力峰值擬合曲線吻合較好，這說明本文中的試驗重復(fù)性較好，測試結(jié)果的可靠性高。

由圖4和圖5不難看出，距離撞擊點相同位置處，撞擊速度越高，壓力峰值越大；撞擊速度相同時，距離撞擊點越遠(yuǎn)，壓力峰值越小。

彈丸以相同速度撞擊不同靶標(biāo)系統(tǒng)，距撞擊點不同距離處的壓力峰值如圖6所示，圖6(a)、(b)、(c)分別表示預(yù)定撞擊速度為600 m/s、750 m/s和900 m/s時，距撞擊點不同距離處的壓力峰值擬合曲線。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，1#、2#試驗壓力峰值衰減大于7#、8#試驗，3#、4#試驗壓力峰值衰減大于9#、10#試驗，5#、6#試驗壓力峰值衰減大于11#、12#試驗；由于長白豬試驗壓力峰值衰減較快，距撞擊點距離160 mm處，1#—6#試驗的壓力峰值都趨向于零，而對應(yīng)的明膠靶標(biāo)試驗中對應(yīng)位置處還有較高的壓力峰值，造成此現(xiàn)象的主要原因是長白豬有皮膚、臟器、神經(jīng)纖維、血管、骨頭等，這些組織都會對壓力波的傳遞產(chǎn)生影響，故長白豬試驗中，壓力峰值傳遞衰減率是隨距離、時間而發(fā)生變化的，而壓力峰值在明膠靶標(biāo)內(nèi)的傳遞相對來說較穩(wěn)定。

由上面的分析可以看出：文中描述的壓力測試實驗中，彈丸侵徹明膠靶標(biāo)時所測得的壓力值，不能直接用來評估相同彈丸侵徹生物靶標(biāo)時所造成的創(chuàng)傷。

圖6 相同撞擊速度下靶內(nèi)壓力峰值擬合曲線Fig.6 The peak pressure fitting curve under same impact velocity

3 結(jié) 論

采用彈道槍發(fā)射裝置及動態(tài)信號采集系統(tǒng)對非侵徹防護(hù)下目標(biāo)內(nèi)的壓力進(jìn)行了試驗研究，得到如下結(jié)論：

(1) 試驗結(jié)果良好的一致性表明本文中試驗結(jié)果的可靠性，結(jié)果數(shù)據(jù)可以用來指導(dǎo)傷員的救治和損傷機(jī)理的研究。

(2) 有防護(hù)、非侵徹撞擊下，長白豬、明膠靶標(biāo)內(nèi)的壓力峰值隨距撞擊點距離的增加呈指數(shù)關(guān)系衰減，壓力峰值在長白豬體內(nèi)的衰減速率明顯大于在明膠靶標(biāo)內(nèi)的衰減速率。

(3) 針對相同靶標(biāo)系統(tǒng)，彈丸速度越大，所產(chǎn)生的壓力峰值越大。

(4) 皮膚吸收能量的能力，與撞擊速度有很大的關(guān)系，撞擊速度越低，皮膚對壓力傳遞的損失率就越高。

(5) 本文所描述的壓力測試實驗，彈丸侵徹明膠靶標(biāo)時所測得的壓力值，不能直接用來評估相同彈丸侵徹生物靶標(biāo)時所造成的創(chuàng)傷。

[ 1 ] 劉蔭秋，王正國，馬玉媛. 創(chuàng)傷彈道學(xué)[M]. 北京：人民軍醫(yī)出版社，1991.

[ 2 ] Suneson A, Hansson H A,Seeman T. Peripheral high energy missile hits cause pressure changes and damage to the nervous system: Experimental studies on pigs [J]. J Trauma, 1987,27(7):782-789.

[ 3 ] Philips Y Y, Yelverton Jt, Richmond D R, et al. Cloth ballistic vest alters response to blast[C]. Presented at Fifth International Symposium on Wound Ballistics. Goteburg, Sweden June, 1985.

[ 4 ] 楊志煥，張均奎，王正國，等. 復(fù)合材料對沖擊傷防護(hù)效應(yīng)的試驗研究[J]. 西南國防醫(yī)學(xué)，1994，4(3)：129-130. YANG Zhi-huan, ZHANG Jun-kui, WANG Zheng-guo, et al. Protective effects for composite materials on blast injuries in dogs [J]. Medical Journal of National Defending Forces in Southwest China, 1994,4(3):129-130.

[ 5 ] Roberts J C, Merkle A C, Biermann P J, et al. Computational and experimental models of the human torso for non-penetrating ballistic impact [J]. J Biomech, 2007,40(1):125-136.

[ 6 ] 咸興平，劉祿勝，于靜. 防彈衣的防護(hù)機(jī)理及防護(hù)性能分析[J]. 中國個體防護(hù)裝備，2007(2)：22-28. XIAN Xing-ping, LIU Lu-sheng, YU Jing. Analysis of protective mechanism and protective property of bulletproof clothes [J]. China Personal Protection Equipment, 2007(2):22-28.

[ 7 ] 陳興武，王慧君，趙衛(wèi)東，等. 人頭部力錘沖擊試驗的生物力學(xué)研究[J]. 中國臨床解剖學(xué)雜志，2005，23(3)：298-302. CHEN Xing-wu, WANG Hui-jun, ZHAO Wei-dong, et al. Biomechanical study on the impact tests conducted on human dead with hammer [J]. Chinese Journal of Clinical Anatomy, 2005,23(3): 298-302.

[ 8 ] 朱青安，歐陽鈞，王守森. 人體頭部承受正面和側(cè)向沖擊的顱骨應(yīng)力分析[J]. 中國臨床解剖學(xué)雜志，1995，14(2)：140-148. ZHU Qing-an, OUYANG Jun,WANG Shou-sen. Stress analysis of human skull during sagittal and lateral impact [J]. Chinese Journal of Biomedical Engineering, 1995,14(2):140-148.

[ 9 ] Axelsson H, Hjelmpvist H, Medin A, et al. Physiological changes in pigs exposed to a blast wave from a detonating high-explosive charge [J]. Mil. Med, 2000,165(2):119-126.

[10] Irwin R J, Lerner M R, Bealer J F, et al. Shock after blast wave injury is caused by a vagally mediated reflex [J]. J Trauma, 1999,47(1):105-110.

[11] Prat N, Rongieras F, Vioglio E, et al. Intrathoracic pressure impulse predicts pulmonary contusion volume in ballistic blunt thoracic trauma [J]. J. Trauma, 2010,69(4):749-755.

[12] Fackler M L, Kneubuehl B P. Applied wound ballistics: what’s new and what’s true [J]. J. Trauma, 1990,6(2):32-37.

[13] Bowyer G W, Cooper G J, Rice P. Small fragment wounds: biophysisc and pathophysiology [J]. J. Trauma, 1996,40(3) 159-164.

[14] Jussila J, Kjellstr?m B T, Lepp?niemi A. Ballistic variables and tissue devitalisation in penetrating injury-establishing relationship through meta-analysis of a number of pig tests [J]. Injury, 2005,36(2):282-292.

[15] 郭福星，戴儉華. 概率論與數(shù)理統(tǒng)計[M]. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1991年.

Test for pressure attenuation in targets of Landrace and gelatin under non-penetration condition

ZENG Xin1, ZHOU Ke-dong1, HE Lei1, JIN Yong-xi2, CUI Hai-lin2, WANG Hao-sheng2, LI Bing-cang3

(1. School of Mechanical Engineering, NUST, Nanjing 210094, China;2. No.208 Research Institute of China Ordnance Industries, Beijing 102202, China;3. Institute of Surgery Research, Daping Hospital, Third Military Medical University, Chongqing 400042, China)

To investigate the internal pressure transmission in human-body caused by small caliber projectiles under condition of non-penetration, the non-penetration firing tests with small caliber projectiles were conducted with different impact velocities and different protected targets of Landrace and gelatin to measure the pressure value in the targets at different locations using a dynamic pressure acquisition system. The results showed that the larger the velocity of projectiles, the higher the pressure; the peak pressure decays exponentially with the distance between an impact point and a measured position; the pressure attenuation speed in Landrace target is greater than that in a gelatin target; the energy absorption ability of skin is greatly related to impact velocity. The test results were significant for wound treatment, injury standard establishment, and bullet design modification.

protection; pressure decay; non-penetration; gelatin target; Landrace; experimental study

2013-04-16 修改稿收到日期：2013-08-01

曾鑫 男，博士，1986年2月生

周克棟 男，教授，博士生導(dǎo)師，1964年5月生

TJ012.4

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.08.017