單兵防彈衣對穿甲破片的防護(hù)效應(yīng)研究

鄒 渝，李曙光，肖 南

單兵防彈衣對穿甲破片的防護(hù)效應(yīng)研究

鄒 渝，李曙光，肖 南

目的：針對單兵面臨的穿甲破片威脅，研究單兵防彈衣對穿甲破片的防護(hù)問題，為防彈衣論證設(shè)計、單兵綜合防護(hù)和戰(zhàn)場救護(hù)等相關(guān)研究提供支撐。方法：分析單兵防彈衣現(xiàn)狀，歸納當(dāng)前防彈衣采用的主要防彈材料。對穿甲彈擊中裝甲車輛后形成破片過程進(jìn)行描述，給出穿甲破片的質(zhì)量和速度特性規(guī)律。以此為基礎(chǔ)，采用ANSYS/LSDYNA有限元分析軟件，對穿甲破片侵徹防彈衣過程進(jìn)行仿真，分析其防護(hù)效應(yīng)。結(jié)果：穿甲破片能夠?qū)伪缽椧滦纬奢^強(qiáng)沖擊，部分破片侵徹防彈衣后，仍能致傷。結(jié)論：防彈衣應(yīng)進(jìn)一步提高防護(hù)能力，應(yīng)采用軟質(zhì)材料以減少沖擊。

單兵防彈衣；穿甲破片；防護(hù)效應(yīng)

0 引言

單兵防彈衣主要用于防止彈頭和破片侵入人體，保護(hù)單兵胸、腹、頸等部位免受傷害。與警用防彈衣主要防止彈頭侵入不同，單兵防彈衣面臨彈頭和破片雙重威脅。從戰(zhàn)場傷情統(tǒng)計來看，破片傷比例明顯高于彈頭致傷[1]。尤其是對于胸、腹部破片傷，創(chuàng)傷彈道情況復(fù)雜，手術(shù)難度較大，傷員收治后死亡率高[2]。按照單兵遂行機(jī)動作戰(zhàn)任務(wù)要求，單兵以建制內(nèi)裝甲車輛實(shí)施機(jī)動成為常態(tài)。單兵乘車戰(zhàn)斗過程中，穿甲破片對防彈衣的沖擊、侵徹和貫穿成為新威脅。研究單兵防彈衣對穿甲破片的防護(hù)效應(yīng)對于提高單兵防護(hù)水平、優(yōu)化防彈衣設(shè)計和科學(xué)確定救治策略都具有重要現(xiàn)實(shí)價值。

1 單兵防彈衣及防彈材料

單兵防彈衣分為硬體、軟體和復(fù)合3類。硬體防彈衣以金屬或者非金屬為主要防彈材料，通過“硬”方式抵御彈頭和破片。軟體防彈衣通常以特殊纖維為主要防彈材料，柔韌性、比強(qiáng)度和比模量都較高。復(fù)合防彈衣綜合采用軟硬體材料，通常以軟體材料為內(nèi)襯，硬體材料為夾層或者插板。單兵防彈衣防彈機(jī)理主要有2個方面，一是將彈頭或破片直接彈開；二是吸收消耗彈頭或破片的動能，阻止其侵入人體。

目前，美軍典型防彈衣有美軍改進(jìn)型外穿戰(zhàn)術(shù)防護(hù)背心（improved outer tactical vest，IOTV）、改進(jìn)型模塊戰(zhàn)術(shù)防護(hù)背心（improved modular tactical vest，IMTV）、單兵插板攜行系統(tǒng)（soldier plate carrier system，SPCS）等。我國單兵防彈衣研究從20世紀(jì)50年代開始，包含了81式、TF90-54、TF90-79等多種類型[3]，基本形成了功能完備、種類多樣、性能較好的體系。

防彈材料是防彈衣的基礎(chǔ)，主要可以分為硬質(zhì)和軟質(zhì)2種，典型防彈材料見表1[4-7]。

由于槍彈和破片殺傷效能提高，新技術(shù)不斷應(yīng)用，防彈材料防護(hù)能力不斷增強(qiáng)。特別是為適應(yīng)機(jī)動作戰(zhàn)要求，防彈材料正向輕型化方向發(fā)展。防彈材料性能評價主要有彈道性能指數(shù)、臨界穿透速度、穿透層數(shù)、防彈等級和彈道極限等。彈道極限主要描述沖擊物沖擊速度與貫穿概率之間的關(guān)系，有V0、V50、V90等評價指標(biāo)。其中，V50是最有代表性和最為通用的指標(biāo)，指貫穿概率為50%時的沖擊速度。北約STANAG2920、美國MIL-STD-662F和我國GJB 4300—2002對V50測試彈體、測試裝置和測試方法等都有各自界定。其中，美軍戰(zhàn)車乘員防彈衣防破片V50為495 m/s[1]。

表1 典型防彈材料

2 穿甲破片形成過程及特性

從戰(zhàn)場威脅角度講，能夠侵徹和貫穿裝甲車輛的破片較多，如榴彈、導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部、穿甲彈等。從彈藥設(shè)計角度講，穿甲彈主要用于穿透裝甲，其破片是車內(nèi)單兵主要威脅。

2.1 穿甲破片形成過程

典型穿甲彈有普通穿甲彈、超速穿甲彈、旋轉(zhuǎn)式脫殼穿甲彈和桿式脫殼穿甲彈4種類型，其結(jié)構(gòu)和性能各有差異。穿甲材料類型較多，有35CrMnSiA、Cr3NiMo、60Cr2MoA、鎢合金和鈾合金等[8-9]。穿甲彈侵徹能力和侵徹體的動能、直徑、結(jié)構(gòu)、形狀、著靶角度和姿態(tài)等相關(guān)，破片形成大致過程如圖1所示[10]。通常情況下，穿甲破片質(zhì)量輕、數(shù)量大，形狀不規(guī)則，殺傷效果明顯。

圖1 穿甲破片形成情況

2.2 穿甲破片特性

穿甲破片特性不僅與穿甲彈類型有關(guān)，還受靶材質(zhì)影響。就裝甲車輛而言，相比坦克裝甲厚度較薄，可以作為薄靶進(jìn)行研究。穿甲彈形成的穿甲破片一部分留在靶內(nèi)，更多的通過貫穿裝甲車輛裝甲進(jìn)入車內(nèi)，對單兵（乘、載員）造成傷害。留在靶內(nèi)的破片特性可以通過Poncelet阻力定律推導(dǎo)[11]。通過對多種材料靶統(tǒng)計分析，貫穿裝甲后破片速度滿足式（1）。

式（1）中，k、α、β、γ和λ為與破片材料相關(guān)的常數(shù)；彈丸射向與靶法線夾角θ單位為°；vs為著靶速度，單位為m/s；vr為出靶速度，單位為m/s；靶厚度T單位為cm；破片平均著靶面積單位為cm2；破片質(zhì)量mf單位為g。

式（1）中忽略了貫穿過程中破片質(zhì)量損失，這在高速條件下是允許的。對于低速貫穿情況，其質(zhì)量損失滿足

式（2）中，ms為著靶時破片質(zhì)量，單位為g；mr為出靶時破片質(zhì)量，單位為g；c、α、β、γ和λ為與破片材料相關(guān)的常數(shù)。

3 穿甲破片侵徹單兵防彈衣仿真

依據(jù)穿甲破片質(zhì)量和速度特性，結(jié)合單兵防彈衣防護(hù)性能測試標(biāo)準(zhǔn)與要求，建立穿甲破片模型。結(jié)合防彈衣及其材料實(shí)際，選用某特殊鋼硬體防彈衣為仿真對象。以ANSYS/LS-DYNA為仿真軟件，對單兵防彈衣防護(hù)穿甲破片侵徹過程進(jìn)行有限元分析。

3.1 仿真模型

由于目前我國軍用防彈衣安全技術(shù)性能要求（GJB 4300—2002）中對測試用破片要求較為簡單，故按照國際慣例選用美軍標(biāo)準(zhǔn)Mil-P-46593A中破片進(jìn)行仿真。選用標(biāo)準(zhǔn)中2型質(zhì)量為1.1 g、長度為5.56 mm的模擬破片進(jìn)行建模。防彈衣仿真模型中涉及裝備戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能，其形狀、厚度和材料特性在此略去。仿真模型如圖2所示。

3.2 仿真過程

破片速度為300～900 m/s，入射角度（破片軸向與防彈衣切線方向夾角）為90、60、45和30°。在建立仿真模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)置破片初始速度選項、有限元分析時間、結(jié)果輸出步數(shù)和輸出關(guān)鍵字文件。對關(guān)鍵字文件進(jìn)行修改，改變材料相關(guān)的關(guān)鍵字段，并添加接觸控制和接觸剛度關(guān)鍵字，輸出K文件。由于選用的破片模型是軸對稱的，為減少計算量，選用其1/4部分進(jìn)行仿真，分析受力情況。按照上述參數(shù)范圍，仿真次數(shù)為120，利用LSDYNA Solver進(jìn)行求解，并用LSPREPOST進(jìn)行結(jié)果處理。

圖2 基于ANSYS/LS-DYNA建立的仿真模型

3.3 結(jié)果分析

從有限元分析情況來看，破片角度和速度對仿真結(jié)果影響較大。從120組仿真結(jié)果可以看出，該防彈衣可以對大部分穿甲破片實(shí)施有效防護(hù)。破片侵徹防彈衣過程中可能出現(xiàn)斷裂，形成二次破片，貫穿防彈衣。小部分高速破片由于動能較大，能夠直接貫穿防彈衣。破片侵徹防彈衣過程中，防彈衣法向受力變化情況如圖3所示。

圖3 單兵防彈衣法向侵徹力變化情況

由于穿甲破片形狀特殊，相對于標(biāo)準(zhǔn)破片而言，對于防彈衣侵徹貫穿效果會更加明顯。特別是一些高能穿甲彈能夠產(chǎn)生動能較大的微小破片，能夠直接貫穿防彈衣危害單兵機(jī)體。仿真試驗(yàn)中部分貫穿破片速度較高，大于傷害機(jī)體的臨界著速，能夠?qū)伪斐擅す軅踔列纬韶炌▊?。同時，裝甲車輛被穿甲彈擊中后，破片形態(tài)呈霧狀分布（如圖1所示），破片在較短時間間隔內(nèi)侵徹防彈衣，能夠?qū)Ψ缽椧录皢伪纬捎矝_擊。鑒于以上分析，需在以下方面加以努力。

（1）考慮單兵防彈衣防護(hù)穿甲破片需要，應(yīng)進(jìn)一步提高單兵防彈衣防護(hù)性能；

（2）為避免單兵受破片貫穿防彈衣后效應(yīng)作用，防彈衣可以采用軟質(zhì)材料減少沖擊；

（3）根據(jù)裝甲步兵致傷規(guī)律，應(yīng)合理配置戰(zhàn)位箱創(chuàng)傷處理敷料，同時提高單兵盲管傷和貫通傷自救互救技能。

4 結(jié)論

穿甲破片是單兵戰(zhàn)斗中面臨的現(xiàn)實(shí)威脅，單兵防彈衣對破片防護(hù)后，破片后效應(yīng)作用明顯，仍能使單兵致傷。為便于仿真試驗(yàn)，對部分條件進(jìn)行了假設(shè)，結(jié)果還需要實(shí)彈進(jìn)行驗(yàn)證。需要綜合分析不同類型穿甲彈破片特性，建立單兵防彈衣防破片的測試要求、方法和評價指標(biāo)。試驗(yàn)中僅對特殊鋼硬質(zhì)防彈衣進(jìn)行了有限元分析，對于采用軟質(zhì)材料和復(fù)合材料的防彈衣對穿甲破片的防護(hù)問題，還需要今后深入研究。

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（收稿：2015-05-02 修回：2015-08-14）

Study on protective effect of individual bullet-proof cloth against armor-piercing fragments

ZOU Yu1,2,LI Shu-guang2,XIAO Nan2
（1.Teaching and Research Section of Equipment Application,Department of Teaching and Research,Shijiazhuang Mechanized Infantry Academy,Shijiazhuang 050083,China;2.The Ninth Research Department,Daping Hospital& Institute of Surgery,the Third Military Medical University,Chongqing 400042,China）

Objective To analyze the protective effect of individual bullet-proof cloth against armor-piercing fragments to provide references for the demonstration and design of the cloth,individual comprehensive protection and field medical care.Methods The present situation and the ballistic materials of the individual bullet-proof cloth were described.The formation process of the armor-piercing fragments after the armor piercer hit the armored vehicle,and the laws for the fragment weight and speed were put forward.ANSYS/LS-DYNA finite element analysis software was used to simulate the process of the fragments penetrating into the cloth and to analyze the protective effect of the cloth.Results The fragments had strong impact to the cloth,and might hurt the body after penetrating the cloth.Conclusion The bullet-proof cloth has to adopt soft materials to enhance protective ability.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（11）：36-38]

individual bullet-proof cloth;armor-piercing fragment;protective effect

R318.6；R82；TS941.73

A

1003-8868（2015）11-0036-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.11.036

鄒 渝（1986—），男，講師，主要從事軍事裝備學(xué)、人機(jī)工效學(xué)方面的研究工作，E-mail：icezouhe@sina.com。

050083石家莊，石家莊機(jī)械化步兵學(xué)院教研部裝備運(yùn)用教研室（鄒 渝）；400042重慶，第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所第九研究室（鄒 渝，李曙光，肖 南）

李曙光，E-mail：shuguang555@gmail.com