槍彈鈍擊防彈衣后人體胸骨的非貫穿性損傷研究

張文杰，王 剛

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

研究表明，在戰(zhàn)爭或武裝沖突中防彈衣能夠有效地減少槍彈造成的貫穿性損傷，避免人體器官永久性損傷或人員的死亡。盡管彈丸被防彈衣阻止不能穿透人體組織，但撞擊防彈衣后產(chǎn)生的沖擊力以及壓力波會對人體造成鈍性損傷，即非貫穿性損傷(behind armor blunt trauma, BABT)。從醫(yī)學(xué)的角度講，當(dāng)人體所受的沖擊力超過極限時身體組織會受到破壞，造成肌肉組織受傷、胸腔骨骨折以及身體內(nèi)部損傷甚至人員的死亡。因此，針對彈丸在防彈衣防護(hù)下人體目標(biāo)的易損性研究意義重大。

關(guān)于槍彈鈍擊人體胸部的研究主要集中于胸腔整體在防彈衣防護(hù)下的受力及受損情況。董萍[1]利用醫(yī)學(xué)軟件和有限元數(shù)值軟件模擬了手槍彈撞擊帶軟質(zhì)防護(hù)的假人上軀干靶標(biāo)的動態(tài)響應(yīng)，概括了人體軀干部分組織受損過程和受損機(jī)理；ROBERTS[2]對生物模擬材料制成的假人模型(HSTM)與計(jì)算機(jī)有限元模型(HTFEM)進(jìn)行對比研究，揭示了不同速度的彈丸對有防彈衣的人體模型彈道損傷的機(jī)理；劉艷[3]利用有限元方法研究了埋藏在明膠內(nèi)部的骨骼受到彈丸傾徹時的力學(xué)響應(yīng)，分析了彈丸傾側(cè)速度、碰擊章動角和骨骼在不同位置下的力學(xué)響應(yīng)機(jī)理。

本文以胸骨為研究對象，細(xì)化胸骨內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用APDL建立與之對應(yīng)的參數(shù)化有限元模型，通過ANSYS_LS_DYNA進(jìn)行計(jì)算仿真，研究防彈衣后胸骨被槍彈鈍擊后的力學(xué)響應(yīng)。

1 數(shù)值模型建立

1.1 數(shù)值模型

運(yùn)用醫(yī)學(xué)軟件Arigin 3D Pro對人體胸腔螺旋CT掃描圖像進(jìn)行三維重建，依據(jù)CT圖像灰度值將胸骨定義成不同材料的組成部分，并根據(jù)CT灰度值將胸骨模型從密質(zhì)骨到骨髓分為5種材料，各材料的特性值見表1。為了降低研究的復(fù)雜程度，取其中的3組材料數(shù)據(jù)作為建模數(shù)據(jù)，分別為密質(zhì)骨1、松質(zhì)骨1和骨髓。簡化后肋骨截面如圖1(a)所示。參照《中國人體解剖數(shù)值》確定肋骨的相關(guān)尺寸參數(shù)(表2 )，取胸骨平均厚度為12mm作為模型尺寸。

表1 胸腔肋骨部分力學(xué)參數(shù)

表2 胸骨平均厚度[4] mm

圖1 胸骨截面及有限元計(jì)算模型

槍彈與防彈衣模型采用51式7.62手槍彈及9.2mmPE纖維軟體防彈衣，根據(jù)軟體防彈衣穿透率[5]的分析顯示，PE軟體防彈衣的V50(穿透率為50%的速度)和V05(穿透率為5%的速度)分別為592m/s 和538m/s，取360m/s彈速為鈍擊速度。PE纖維是超高分子量聚乙烯(ultra high molecular weight polyethylene，UHMWPE)，有著優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能和力學(xué)性能(表3)，其強(qiáng)度、模量比金屬材料高，抗聲震疲勞性、減震性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過金屬材料；PE纖維具有很高的軸向比拉伸強(qiáng)度和剛度，強(qiáng)度在所有纖維材料中僅次于高模量碳纖維，其能量吸收性能在所有纖維中是最高的。

表3 UHMWPE纖維的力學(xué)性能

本文利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL建立數(shù)值分析模型。為了提高計(jì)算速度和精度，選取模型的1/4(圖1 (b))進(jìn)行計(jì)算分析，其中彈頭和胸骨選用SOLID164實(shí)體單元，網(wǎng)格選用六面體網(wǎng)格，防彈衣選用SHELL163中的Belytschko-Tsay薄殼單元，網(wǎng)格選用四邊形網(wǎng)格對防彈衣模型進(jìn)行分層。

1.2 材料本構(gòu)模型

手槍彈采用*MAT_JOHNSON_COOK材料模型及EOS_GRUNEISEN狀態(tài)方程表述其材料特性[6]。PE軟體防彈衣采用Belytschko-Tsay薄殼單元建模并進(jìn)行沙漏控制，將其視為正交各向異性彈塑性材料，采用MAT_ENHANGED_DAMAGE材料本構(gòu)模型。

骨是完全各向異性彈性材料，并且具有不同的拉伸和壓縮強(qiáng)度，密質(zhì)骨與松質(zhì)骨的表觀密度和彈性模量關(guān)系式如下：

密質(zhì)骨

ρ>1.0g/cm3

Ez=2 065×ρ3.09MPa

Exy=2 314×ρ1.57MPa

μxz=0.32

μyz=0.58

Gxz=3.3GPa

(1)

松質(zhì)骨

ρ≤1.0g/cm3

Ez=19.4×ρ1.64MPa

Exy=1 157×ρ1.78MPa

μxa=0.32

μyz=0.58

Gxz=0.11GPa

(2)

式中：ρ為骨的密度；Ez為z方向的彈性模量；Exy為xy方向的彈性模量；μxz為xz方向的泊松比；μyz為yz方向的泊松比；Gxz為xz方向的剪切彈性模量。

選擇*MAT_COMPOSITE_DAMAGE材料模型作為密質(zhì)骨與松質(zhì)骨的材料本構(gòu)模型， *MAT_COMPOSITE_DAMAGE不僅具有各向異性的性質(zhì)，而且其失效模型需要分別考慮拉伸和壓縮的不同性質(zhì)。骨髓是一種海綿狀的彈性組織，本文選擇*MAT_ELASTIC作為骨髓的材料模型[3]。

2 數(shù)值仿真模擬

2.1 模型中的簡化

1)模型結(jié)構(gòu)不考慮皮膚和肌肉組織等小參數(shù)對胸骨模型的影響。

2)人體胸骨的實(shí)際結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在不影響局部精度時，視胸骨內(nèi)部的密質(zhì)骨、松質(zhì)骨和骨髓為層狀結(jié)構(gòu)。

2.2 數(shù)值結(jié)果分析

計(jì)算模型由手槍彈、軟體防彈衣和人體胸骨結(jié)構(gòu)3部分定位組裝而成，彈著點(diǎn)為防彈衣與胸骨中央前段，撞擊速度為360m/s。彈丸鈍擊防彈衣后各部分應(yīng)力分布如圖2所示。

從手槍彈鈍擊軟體防彈衣數(shù)值模擬過程來看，槍彈鈍擊軟體防彈衣后人體胸骨響應(yīng)大致分為3個階段。

1)壓縮階段。彈頭接觸防彈衣表面，彈頭以一定速度入侵軟體防彈衣，防彈衣發(fā)生擠壓變形。彈頭速度變化小。

2)侵徹階段。彈頭繼續(xù)沖擊防彈衣，防彈衣發(fā)生過度變形，纖維在剪切力和拉力作用下發(fā)生斷裂，彈頭發(fā)生變形，能量通過防彈衣傳至胸骨。

3)回彈階段。彈頭動能衰減至0，傾徹過程結(jié)束，胸骨不再受到應(yīng)力作用。

圖2 彈丸以360m/s速度鈍擊防彈衣后胸骨各部分應(yīng)力分布圖

2.3 致傷機(jī)理分析

當(dāng)手槍彈鈍擊軟體防彈衣時，一部分能量被防彈衣消耗，另一部分能量傳遞給胸骨，彈丸鈍擊防彈衣的整個過程中對胸骨的損傷主要表現(xiàn)為彈丸撞擊過程中撞擊力的作用和應(yīng)力波的作用。槍彈鈍擊軟體防彈衣時，在其前方形成一個高壓區(qū)，隨著彈丸的前進(jìn)而向前推進(jìn)，應(yīng)力波向前傳至胸骨，造成胸骨的損傷。

從胸骨各部分選取5個位置點(diǎn)作為測量點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的對比和分析。分別是前密質(zhì)骨點(diǎn)422721、前松質(zhì)骨點(diǎn)494130、骨髓點(diǎn)585937、后松質(zhì)骨點(diǎn)657514、后密質(zhì)骨點(diǎn)749153，具體位置如圖3所示。取距離彈丸位置最近的3個點(diǎn)(密質(zhì)骨、松質(zhì)骨和骨髓各取1個點(diǎn))作為重點(diǎn)分析點(diǎn)。

2.4 損傷模型

將胸骨視為由不同材料組成的層合板結(jié)構(gòu)，對于各向同性材料，設(shè)其為完全彈性體，其應(yīng)力應(yīng)變?yōu)楸緲?gòu)關(guān)系。根據(jù)Hashin[7]層合板失效準(zhǔn)則建立胸骨損傷模型，判斷胸骨內(nèi)積累損傷。

圖3 測量點(diǎn)的位置

1)拉伸損傷。

(3)

2)壓縮損傷。

(4)

式中：σ22為材料2存在的主應(yīng)力；σ23為材料2與材料3之間的主應(yīng)力；σ12為材料1與材料2之間的主應(yīng)力；σ13為材料1與材料3之間的主應(yīng)力；S23為材料2與3之間的剪切強(qiáng)度；S12為材料1與2之間的剪切強(qiáng)度；YT為材料橫向拉伸強(qiáng)度；YC為材料橫向壓縮強(qiáng)度。此處材料1、材料2、材料3分別為密質(zhì)骨、松質(zhì)骨和骨髓。

3 對比分析

從圖4可以看出各個測量點(diǎn)的加速度隨時間變化情況。密骨點(diǎn)422721在25μs時，出現(xiàn)最大值125.38g；松骨點(diǎn)494130在21μs時，出現(xiàn)最大值19.06g；骨髓點(diǎn)585937在28μs時，出現(xiàn)最大值1.8g。胸骨各測量點(diǎn)加速度值在出現(xiàn)最大值之后逐漸震蕩降低趨于零。

圖4 胸骨加速度-時間歷程曲線

從圖5可看出胸骨各個測量點(diǎn)的壓力隨時間變化情況。密質(zhì)骨點(diǎn)422721 在25μs時，出現(xiàn)最大值10.4MPa；松質(zhì)骨點(diǎn)494130在28μs時，出現(xiàn)最大值1.3MPa；骨髓點(diǎn)585937在29μs時，出現(xiàn)最大值0.4MPa。密質(zhì)骨先受到?jīng)_擊力的影響，應(yīng)力最為集中，松質(zhì)骨和骨髓的應(yīng)力比密骨小。

圖5 胸骨應(yīng)力-時間曲線

從圖6可看出胸骨各個測量點(diǎn)的速度隨時間變化情況。密質(zhì)骨點(diǎn)422721在25μs時，出現(xiàn)最大值29m/s；松質(zhì)骨點(diǎn)494130在26μs時，出現(xiàn)最大值18m/s；骨髓點(diǎn)585937在26μs時，出現(xiàn)最大值16m/s。由于子彈持續(xù)給防彈衣施加壓力，導(dǎo)致胸骨各處一直向前運(yùn)動，各測量點(diǎn)速度值在出現(xiàn)最大值之后逐漸震蕩降低趨于零。

4 結(jié)束語

本文通過研究人體胸骨內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建立APDL有限元參數(shù)模型，利用顯式非線性有限元方法對槍彈鈍擊防彈衣后胸骨的應(yīng)力與應(yīng)變情況進(jìn)行數(shù)值仿真，并獲得了胸骨內(nèi)部結(jié)構(gòu)的動態(tài)沖擊響應(yīng)。數(shù)值模擬結(jié)果揭示了人體胸骨在彈丸鈍擊防彈衣后的受力、變形過程和損傷效應(yīng)，為數(shù)值模擬槍彈鈍擊有防護(hù)的人體胸骨作用效應(yīng)提供了新的計(jì)算方法。

圖6 胸骨速度-時間歷程曲線

[1] 董萍. 手槍彈對帶軟體防彈衣人體軀干靶標(biāo)鈍擊作用的建模與仿真研究[D].南京：南京理工大學(xué),2012.

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