子彈正面射擊防彈頭盔的非貫穿變形分析*

錢俊宏，羊 毅，朱平平

（西華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610039）

子彈正面射擊防彈頭盔的非貫穿變形分析*

錢俊宏，羊 毅，朱平平

（西華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610039）

子彈對(duì)頭盔非貫穿性射擊的變形會(huì)使頭盔內(nèi)表面與人體頭部接觸，而這種接觸將會(huì)對(duì)人體頭部造成傷害。為了研究這種非貫穿性損傷，將防彈頭盔材料模型視為理想塑性的Johnson Cook材料模型，頭盔表面曲線按照國家標(biāo)準(zhǔn)GA293-2012《警用防彈頭盔及面罩》精確繪制。將子彈設(shè)置為剛性，子彈采用54式手槍7.62mm手槍彈，以450m/s的速度射擊防彈頭盔。仿真基于ABAQUS/Explicit分析模塊進(jìn)行，采用ABAQUS顯示非線性動(dòng)態(tài)分析，對(duì)頭盔和子彈應(yīng)用Abaqus自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)。結(jié)果顯示，射擊點(diǎn)離頭盔頂部越遠(yuǎn)，頭盔變形越大，對(duì)人體頭部可能造成的傷害越大。

防彈頭盔；表面曲線；防彈性能

防彈頭盔是單兵防護(hù)裝備的重要組成部分。統(tǒng)計(jì)表明，裝備防彈頭盔能有效的降低士兵的傷亡率[1]。子彈射擊頭盔后，會(huì)出現(xiàn)頭盔被子彈射穿和頭盔未被子彈射穿兩種情況。子彈射穿頭盔后，將會(huì)對(duì)人體造成直接的致命傷害。頭盔未被子彈射穿，并不意味著人不會(huì)受傷，高速入射的子彈具有很強(qiáng)的能量，這些能量沖擊頭盔將會(huì)對(duì)頭盔造成很大的變形。頭盔的應(yīng)變會(huì)對(duì)人體頭部造成不同程度的損傷，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)危及生命。

子彈在未穿透防彈頭盔的情況下，子彈的沖擊會(huì)經(jīng)頭盔的位移、變形等方式傳遞到人體頭部或頸部，對(duì)人體重要組織和器官造成傷害的現(xiàn)象稱為非貫穿性損傷效應(yīng)，又稱裝甲防護(hù)后效應(yīng)（Behind Armor Ballistic Trauma，BABT）。非貫穿性損傷效應(yīng)問題是近幾年來歐美各軍事裝備管理部門、研究機(jī)構(gòu)、測(cè)試單位和生產(chǎn)商的研究熱點(diǎn)和關(guān)注焦點(diǎn)。他們主要著力研究BABT對(duì)人體的致傷機(jī)理、BABT對(duì)人體的致傷形式和BABT與防彈裝備結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。國外相關(guān)研究部門也針對(duì)如何評(píng)價(jià)及測(cè)試防彈裝備對(duì)彈道侵徹所致非貫穿性損傷的防護(hù)效果等進(jìn)行課題研究[2]。對(duì)于子彈射擊防彈頭盔后防彈頭盔在非貫穿狀態(tài)下受力傳遞狀態(tài)測(cè)試和人員頭頸部損傷的評(píng)估方面，目前國際上還沒有明確的方法和標(biāo)準(zhǔn)，而國內(nèi)這方面的研究工作也未見有相關(guān)報(bào)道[3]。

1 建立模型

1.1 三維模型的建立

目前，我國軍隊(duì)裝備的頭盔主要有GK80型鋼盔和QGF02型非金屬（凱夫拉）頭盔。上世紀(jì)七十年代，已成功研制出第一代GK80型防彈頭盔，上世紀(jì)八十年代初，正式將GK80型鋼盔裝備于部隊(duì)使用。1994年成功研制出QGF型非金屬（凱夫拉）頭盔，該頭盔的抗彈能力比GK80鋼盔提高了38.4％，有效防護(hù)面積達(dá)1266mm2，比GK80鋼盔提高16％。本研究以QGF02型凱夫拉（Kevlar）頭盔為研究對(duì)象。

QGF02型凱夫拉（Kevlar）頭盔由外殼、襯里和懸掛件三部分組成。頭盔模型的建立在三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件Creo中進(jìn)行，頭盔表面曲線參照國家標(biāo)準(zhǔn)GA293-2012《警用防彈頭盔及面罩》繪制，表面曲線見圖1。本論文研究重點(diǎn)在于子彈對(duì)頭盔射擊的有限元分析，為了簡(jiǎn)化分析模型，提高分析速度，對(duì)于頭盔的外盔進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，不考慮內(nèi)襯和系帶對(duì)分析結(jié)果的影響[4]，防彈頭盔模型見圖2。子彈采用54式手槍7.62mm手槍彈，以450m/s的速度射擊防彈頭盔，子彈簡(jiǎn)化模型見圖3[5]。子彈射擊頭盔仿真如圖4所示。

圖1 頭盔表面曲線

圖2 QGF02頭盔模型

圖3 子彈模型

圖4 abaqus中子彈射擊頭盔

1.2 材料參數(shù)的確定

本文所研究的防彈頭盔材料為凱夫拉（kevlar）材料，本文研究重點(diǎn)在于防彈頭盔表面曲線對(duì)防彈性能的影響。為簡(jiǎn)化分析，防彈頭盔和子彈材料視為理想塑性的Johnson Cook材料模型，其主要物理屬性見表1[6]。

表1 Johnson Cook材料模型

2 有限單元法理論分析

2.1 ABAQUS顯示非線性動(dòng)態(tài)分析

ABAQUS/Explicit分析模塊采用直接解法來求解動(dòng)態(tài)問題，非線性動(dòng)態(tài)問題的求解主要是利用數(shù)學(xué)的迭代法來計(jì)算，采用顯示直接積分算法。在子彈的運(yùn)動(dòng)過程中，運(yùn)動(dòng)方程的時(shí)間積分應(yīng)用中心差分方法求解，其主要的求解過程為：應(yīng)用子彈運(yùn)動(dòng)的上一個(gè)增量步的動(dòng)力學(xué)條件計(jì)算下一個(gè)增量步的動(dòng)力學(xué)條件。顯式動(dòng)力學(xué)有限元基本方程為[7]：

在子彈開始射擊頭盔到子彈離開頭盔這段時(shí)域內(nèi)，運(yùn)用中心差分法，子彈的速度和加速度的表達(dá)方式如下：

其中Δt為時(shí)間步長，通過聯(lián)立(1)-(3)式，可得遞推公式如下：

將含有u(t)的項(xiàng)移到等式右側(cè)，則(4)式轉(zhuǎn)化為：

計(jì)算時(shí)間步長的確定：

顯示算法中，常常是利用中心差分法計(jì)算時(shí)間步長，中心差分法需要穩(wěn)定的條件才能準(zhǔn)確地求解。在求解時(shí)，所計(jì)算的時(shí)間步長必須小于求解方程所決定的某個(gè)臨界值Δtmin，否則中心差分法將無法進(jìn)行穩(wěn)定的運(yùn)算。臨界時(shí)間步長通過Courant－Friedrichs－Levy準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算[8]：

其中，Wmax表示系統(tǒng)的最大固有頻率，L表示單元特征長度，C表示子彈的聲速，子彈的聲速C與子彈材料的性質(zhì)有關(guān)，對(duì)于三維單元，材料中的聲速為：

其中，L表示泊松比，E表示楊氏模量，ρ表示材料密度。

2.2 網(wǎng)格劃分

由于材料是不可壓縮的，在彈塑性分析中如果使用二次完全積分單元（C3D20）很容易產(chǎn)生體積自鎖。在網(wǎng)格劃分時(shí)，如果將頭盔材料定義為二次減縮積分單元（C3D20R），當(dāng)材料應(yīng)變大于20％～40％時(shí)，則需要將防彈頭盔劃分足夠細(xì)的網(wǎng)格才不會(huì)產(chǎn)生體積自鎖。因此，頭盔的網(wǎng)格劃分選擇線性減縮積分單元（C3D8R）。對(duì)于三維區(qū)域，頭盔模型中存在接觸和大的扭曲變形，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，得到六面體HEX單元網(wǎng)格，減小計(jì)算代價(jià)，同時(shí)也能提高計(jì)算精度。由于模型中存在大變形問題，頭盔表面的幾何形狀會(huì)發(fā)生很大的變化，所劃分的網(wǎng)格也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的扭曲變形。這會(huì)導(dǎo)致計(jì)算精度下降，穩(wěn)定步長縮短，甚至無法達(dá)到收斂，無法求解出頭盔的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果。因此，使用自適應(yīng)網(wǎng)格方法ALE（Arbitrary Lagrange-Euler）對(duì)頭盔進(jìn)行網(wǎng)格劃分。Abaqus的自適應(yīng)網(wǎng)格不會(huì)改變頭盔網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，自適應(yīng)網(wǎng)格方法ALE結(jié)合純拉格朗日分析（網(wǎng)格跟隨材料移動(dòng)）和歐拉分析（網(wǎng)格位置固定，材料在網(wǎng)格中流動(dòng)），被稱為“任意拉格朗日-歐拉（ALE）分析”。自適應(yīng)網(wǎng)格方法ALE比純拉格朗日分析方法和單用歐拉分析方法分析更高效、更精確和更穩(wěn)定。因此本研究中對(duì)頭盔和子彈應(yīng)用Abaqus的自適應(yīng)網(wǎng)格。

3 結(jié)果及討論

研究子彈射擊與頭盔厚度一致的kevlar平板和子彈正面射擊凱夫拉防彈頭盔，射擊點(diǎn)分別落在距頭盔頂10mm、20mm、30mm、40mm和50mm處。被射擊點(diǎn)的時(shí)間-位移曲線分別見圖5、圖6、圖7、圖8、圖9和圖10。

圖5 子彈射擊kevlar平板

圖6 子彈射擊點(diǎn)距頭盔頂10mm處

圖7 子彈射擊點(diǎn)距頭盔頂20mm處

圖8 子彈射擊點(diǎn)距頭盔頂30mm處

圖9 子彈射擊點(diǎn)距頭盔頂40mm處

圖10 子彈射擊點(diǎn)距頭盔頂50mm處

從圖中可得出子彈射擊QGF02頭盔不同點(diǎn)的最大位移，見表2。

表2 不同射擊點(diǎn)最大位移 （mm）

（1）本研究按照國家標(biāo)準(zhǔn)繪制頭盔曲線，并生成三維模型圖。將頭盔和子彈模型簡(jiǎn)化，并將材料視為理想塑性的Johnson-Cook材料模型。結(jié)果表明該假設(shè)能較好地分析頭盔曲線對(duì)防彈性能的影響。

（2）從子彈射擊頭盔曲線上不同點(diǎn)的最大變形來看，離頭盔頂越遠(yuǎn)，射擊點(diǎn)的最大變形越大。這說明子彈對(duì)頭盔的射擊點(diǎn)離頭盔頂部越遠(yuǎn)，對(duì)人體頭部可能造成的傷害就越大。

（3）本研究防彈頭盔表面曲線對(duì)防彈性能的影響分析，能在提高頭盔防彈性能上提供一定的參考意義。

注釋及參考文獻(xiàn)：

[1]孫幸福．防彈頭盔研制技術(shù)及發(fā)展前景[J].中國個(gè)體防護(hù)裝備，2009，16(1):14-16．

[2]高曉清,黃獻(xiàn)聰,周宏,等.防彈頭盔防非貫穿性損傷性能測(cè)試技術(shù)研究[J].警察技術(shù)，2013，20(4):66-69．

[3]李焱,黃獻(xiàn)聰.防彈頭盔非貫穿性損傷評(píng)價(jià)研究進(jìn)展[J].中國個(gè)體防護(hù)裝備，2008，5(1):17-19．

[4]Magnus Aare,Svein Kleiven．Evaluation of head response to ballistic helmet impacts using the finite element method[J]．International Journal of Impact Engineering，2007，47(34):596-608.

[5]T.B?rvik,S.Deya,A.H.Clausen．Perforation resistance of five different high-strength steel plates subjected to small-arms projectiles[J].International Journal of Impact Engineering ，2009，36(7):948-964．

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[7]M.A.G.Silva,C.Cisma-siu,C.G.Chiorean．Numerical simulation of ballistic impact on composite laminates[J].International Journal of Impact Engineering，2005，31(3):289-306．

[8]Chian-Fong Yen．A ballistic material model for continuous-fiber reinforced composites[J].International Journal of Impact Engineering ，2012，46(5):11-22.

Non-penetrating Deformation Analysis of the Bullet Shooting the Front of the Bulletproof Helmet

QIAN Jun-hong，YANG Yi，ZHU Ping-ping
(School of Mechanical Engineering,Xihua University,Chegndu,Sichuan 610039)

The deformation of the bullet non-penetrating the bulletproof helmet can cause a contact between the inside of the helmet and the head.This contact can cause injury to head.In order to study the non-penetrating phenomenon,the material of the bulletproof helmet is regarded as Johnson-Cook material model of ideal plasticity.The helmet surface curve is accurately drew by reference the national standard GA293-2012"bulletproof police helmet and mask".The bullet is set to a rigid,bullet use 54 type pistol 7.62mm bullet,with the speed of 450m/s shooting bulletproof helmet.The simulation analysis is based on ABAQUS/Explicit,using ABAQUS display nonlinear dynamic analysis,helmets and bullet on the application of Abaqus adaptive grid technique.The results show that shooting point further away from the top of a helmet,the more damage to head may be cause..

bulletproof helmet;surface curve;ballistic performance

TJ9；E939

A

1673-1891（2015）02-0045-03

2015-03-25

西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（項(xiàng)目編號(hào)：ycjj2014051）。

錢俊宏(1987-)，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：仿真分析，機(jī)械傳動(dòng)。