一種新型仿生型防刺服的基板設(shè)計與防刺機理探究

袁夢琦，郭亞鑫，錢新明

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

在當(dāng)下，有許多國家對槍支交易和使用都實行較為嚴(yán)格的管控，是中國和其他許多國家進(jìn)行突發(fā)事件防范的重要措施，從而導(dǎo)致刀具等管制類物品成為暴恐分子的主要襲擊武器[1-3].通過對公共安全領(lǐng)域以及相關(guān)部門的事故統(tǒng)計資料分析發(fā)現(xiàn)：暴恐分子實施襲擊的主要工具為匕首、刺刀等具有尖銳部分的利器[4-5].暴恐事件的發(fā)生不但對廣大人民群眾的生命財產(chǎn)安全造成了巨大的威脅，而且使社會治安也面臨著重大挑戰(zhàn).作為能夠有效抵御刀具侵徹的個體防護(hù)裝備的防刺服，仍然存有許多局限性，如質(zhì)量較大、可穿戴性低等缺點[6].因此，研制出具有輕質(zhì)高效、舒適靈活等特點的新型個體防刺裝備十分重要.

防刺服作為普遍適用的個體防刺裝備，必須滿足特定的防刺需求，即保護(hù)人體免受匕首、刺刀等利器的侵入傷害，還要保證穿戴者的舒適度與靈活性.由于防彈衣無法有效抵御刀具等尖銳器具的侵徹，軟質(zhì)防刺服雖然能夠阻擋刀具刺入，但在抵御刀具沖擊的同時仍會使人體遭受一定程度的傷害[7-8].為廣大安保人群提供安全有效的個體防護(hù)裝備，使其在遭受攻擊時能夠大幅度的減輕傷害，受到政府和公眾的急切關(guān)注.

防刺服按構(gòu)成的材料可分為硬質(zhì)防刺服、半硬半軟質(zhì)防刺服、柔性防刺服、液體防刺服等四類[9].硬質(zhì)防刺服的防刺層主要由金屬材料構(gòu)成，具有良好的防刺性能，但因其質(zhì)量大且剛性強，具有較差的舒適靈活性[10-11].軟質(zhì)防刺服主要由高強度纖維和金屬材料復(fù)合加工制成，不僅質(zhì)量較大而且制作工藝復(fù)雜，舒適性較低.柔性防刺服主要由高性能化學(xué)纖維織造而成，具有輕質(zhì)高強，舒適性高等特點，但在抵御刀具沖擊的同時也會對人體造成一定的傷害[12-15].液體防刺服是將剪切增稠液(STF)滲入到織物中，在一般狀態(tài)下剪切增稠液以液體的形式存在，在遭受劇烈沖擊時會立刻轉(zhuǎn)變?yōu)閳杂驳墓腆w狀物質(zhì)，極大地增強織物的抗沖擊性.當(dāng)沖擊力消失后，剪切增稠液又恢復(fù)至通常的液體狀態(tài)，織物也恢復(fù)柔軟，可穿戴性較強.由于剪切增稠液在發(fā)揮作用條件是遭受瞬時猛烈的高速沖擊，而在低速穿刺或刀割情況下作用不明顯.而且浸漬的剪切增稠液(STF)會極大地增加防刺層的質(zhì)量，降低服裝的可穿戴性，因而對于一般個體防刺裝備并不適用[16-17].

在長久的演化當(dāng)中，生物機體防護(hù)裝甲的結(jié)構(gòu)和形態(tài)在不斷進(jìn)化與完善，重量在不斷地減輕，同時機體的運動速度和靈活度也在逐步地提高和增強[18-23].具有典型生物防護(hù)裝甲的動物如穿山甲、鱷魚、蜥蜴等，如圖1所示.本文針對目前防刺服的研究現(xiàn)狀，基于袁夢琦等[24]在仿生型防刺服領(lǐng)域取得的研究進(jìn)展，進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步優(yōu)化防刺基板，完善防刺服成衣制作.設(shè)計并提出了新型仿生防刺結(jié)構(gòu)“三棱錐”型防刺基板，通過改進(jìn)型鈦合金制作成型，極大了降低了防刺層的質(zhì)量與面密度，且具有良好的抗沖擊性能，可穿戴性較高.

1 研究方法

1.1 落錘沖擊數(shù)值模擬

刀具沖擊基板的過程極快，具有瞬時性，因而對于它們的相互作用過程很難捕捉，而且在落錘沖擊實驗中，刀具的沖擊速度屬于低速范疇，沖擊過程的力學(xué)響應(yīng)非常重要，需要通過數(shù)值模擬軟件LS-DYNA對刀具沖擊基板過程進(jìn)行再現(xiàn)和分析.在袁夢琦等[24]關(guān)于金字塔型防刺基板抗沖擊行為的研究中發(fā)現(xiàn)，基板的防刺性能隨著斜面厚度的增大而增大，但增大到一定程度后，厚度對防刺性能不再有明顯影響.基板的防刺性能隨著斜面傾斜角度的增大先增大后減小，在達(dá)到最優(yōu)防刺性能的情況下，不同的防刺材料具有不同的最佳傾斜角度.三棱錐型防刺基板的抗穿刺行為與金字塔型防刺基板類似，都是通過調(diào)整斜面的厚度與傾角的大小來實現(xiàn)最優(yōu)異的防刺性能.在預(yù)實驗中，通過對由鈦合金(TC4)加工而成的厚度一定(1.5 mm)、傾角不同(20.0°、22.5°和25.0°)的3種防刺基板進(jìn)行落錘沖擊試驗測試，發(fā)現(xiàn)傾角為20.0°的三棱錐型防刺基板發(fā)生了顯著變形，難以重復(fù)測試.傾角為22.5°和25.0°的三棱錐型防刺基板在較小的變形范圍內(nèi)均有效抵御了刀具的沖擊，但傾角為25.0°的防刺基板表面受損相對嚴(yán)重.由于傾角越小，防刺基板的面密度越小，結(jié)合不同傾角防刺基板的防刺性能，將由鈦合金(TC4)加工制作而成的三棱錐防刺基板的最佳傾斜角度確定為22.5°.

為進(jìn)一步降低防刺基板的面密度，先通過模擬探究角度為22.5°，厚度為1 mm的三棱錐防刺基板的抗沖擊性能，如圖2所示.

幾何模型由重錘、刀具、背襯以及三棱錐防刺基板構(gòu)成.防刺基板下底面與背襯上表面重合，重錘位于防刺基板的正上方，刀具刀尖距離背襯15 mm，如圖3所示.

刀具和重錘的材質(zhì)為合金鋼(9Cr18Mo)，材料模型選用線彈性模型.防刺試樣材質(zhì)為鈦合金(TC4)，采用雙線性硬化強度模型.將背襯簡化為單層幾何模型，材質(zhì)為氯丁橡膠，采用線彈性模型，材料參數(shù)如表1所示.

表1 材料參數(shù)

1.2 沖擊試驗測試

由于傳統(tǒng)制造技術(shù)并不能快速制作出復(fù)雜的仿生型結(jié)構(gòu)，且較長的成型周期均會影響研究進(jìn)展.因而采用新型制造模式即3D打印技術(shù)去實現(xiàn)仿生型防護(hù)裝甲的研發(fā)與制造，既易于成型，又具備較短的打印周期[25-29].通過前期的理論與模擬分析，最終確定成型的三棱錐防刺基板的結(jié)構(gòu)尺寸.依照中華人民共和國公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA68-2008警用防刺服標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行落錘沖擊實驗測試，既能對前期模擬分析進(jìn)行直觀的檢驗，又能針對防刺基板的破壞形式采取進(jìn)一步改進(jìn).

沖擊測試儀的主要部分為重錘、刀具和背襯.重錘和刀具的總體質(zhì)量為2.4 kg，刀體的外露長度為83 ± 2 mm，材質(zhì)為合金鋼(9Cr18Mo)，每把刀使用一次并且依次標(biāo)號.背襯的尺寸為400 mm×400 mm×67 mm，背襯最上方為4層6 mm厚的氯丁橡膠海綿，中間是1層30 mm厚的聚乙烯閉孔泡沫，最下方由2層厚度為6.5 mm的天然橡膠構(gòu)成.根據(jù)刀具沖擊試樣時的初始速度來計算刀具及重錘的放置高度，并用激光測速儀來進(jìn)行精確校準(zhǔn)，如圖4所示.

通過實驗測試3D打印三棱錐型鈦合金防刺基板的防刺性能來確定防刺基板的基本結(jié)構(gòu)參數(shù).三棱錐角度為22.5°，基板厚度為0.8,1.0,1.2 mm.每種試樣準(zhǔn)備3塊，每塊試樣測試5次，觀察沖擊后基板的破壞程度，如圖5所示.

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬分析

刀具動能在沖擊過程中絕大部分轉(zhuǎn)化為防刺基板和背襯的內(nèi)能，即二者的變形能.假設(shè)基板和背襯材料的初始內(nèi)能為0，圖6和圖7為刀具和三棱錐防刺基板分別在沖擊過程中各自內(nèi)能的變化，圖8為刀具在沖擊過程中動能的變化.

三棱錐防刺基板在受到?jīng)_擊時內(nèi)能迅速增加，速度和峰值遠(yuǎn)高于平板(圖7).由于三棱錐結(jié)構(gòu)對沖擊力具有顯著的分散作用，避免了刀具對基板表面的法向侵徹，通過這種途徑可以迅速有效地削弱刀具的沖擊能量[30-32].平行于斜面的分力會在基板表面形成明顯的劃痕，而垂直于斜面的分力則會使基板產(chǎn)生較為明顯的變形，而這兩種分力的共同作用則會使刀尖更容易損壞并使刀體產(chǎn)生變形.刀具在沖擊平板的過程中，由于只受基板表面法向的反作用力，不易產(chǎn)生較大變形.平板在受沖擊的過程中不易發(fā)生傾斜，得到了背襯均勻有效的支撐，因而變形較小.在刀尖垂直侵徹的過程中，使接觸面承受巨大的沖擊力，并最終穿透基板.基板和背襯的內(nèi)能是刀具動能轉(zhuǎn)化為的變形能.在受到刀具沖擊后基板的內(nèi)能增加越少，表明基板的變形量越小，則刀具破壞作用就越小，基板防刺性能越好.

動能為24 J的落錘在沖擊防刺基板的過程中發(fā)生了顯著的動能變化(圖8).落錘的動能在迅速下降到最低點后又快速回升，最后趨于穩(wěn)定，其損失的動能轉(zhuǎn)化為防刺基板和背襯的變形能.刀具在侵徹防刺基板初期，動能開始顯著下降，隨著刀具進(jìn)一步侵徹，防刺基板被不斷破壞.相對于平板結(jié)構(gòu)，由于刀具在沖擊三棱錐防刺基板的過程中，刀尖與基板斜面構(gòu)成一定的角度，分解為垂直于斜面和平行于斜面的分力(圖9).在力的相互作用下，當(dāng)平行于斜面的分力大于最大靜摩擦力時，刀尖會在斜面上滑動并使刀具運動速度偏離豎直方向，導(dǎo)致落錘的整體沖擊動能分散為垂直于斜面的沖擊能量和沿斜面方向的沖擊能量，從而使基板在受沖擊的過程中發(fā)生一定程度的傾斜.基板的傾斜會導(dǎo)致背襯受力不均，呈現(xiàn)更大程度的塌陷變形，吸收能量更多，從而對刀具沖擊能量的削弱更為明顯.由于金屬材料間的劇烈碰撞會產(chǎn)生大部分變形能以及部分熱能、光能等其它形式的能量，均會使刀具動能快速下降.

圖10和圖11分別為1 mm厚度的三棱錐防刺基板在各個時刻的等效應(yīng)力云圖和數(shù)值曲線.圖10所示為防刺基板在經(jīng)受刀具24 J能量動態(tài)沖擊時的等效應(yīng)力變化云圖.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在刀具與基板發(fā)生相互作用的瞬間，防刺基板表面發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象.隨著時間的推移，在刀具進(jìn)一步下落的過程中，集中應(yīng)力從接觸中心逐步向周圍擴散，應(yīng)力大小也隨之變大，直到達(dá)到最大值661 MPa.當(dāng)?shù)都庠诨灞砻娈a(chǎn)生裂紋后，裂紋繼續(xù)在基板表面?zhèn)鬟f應(yīng)力.對于垂直于基板表面的應(yīng)力載荷，基板表面的摩擦力對沖擊行為影響很小.當(dāng)?shù)毒咚俣冉抵?時，在背襯的彈力作用下，基板和刀具開始返向上運動，應(yīng)力分布開始從周圍向基板中間轉(zhuǎn)移.隨著刀具的逐漸上升，基板所受的應(yīng)力逐漸減小，刀具最終沒有穿透防刺基板.

基板被沖擊的過程中會產(chǎn)生較大的變形，鈦合金(TC4)材料屈服強度為895 MPa，從圖12(a)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在刀具與基板表面接觸的部分，刀尖附近的應(yīng)力大小最大約為6.32×104MPa，大于材料屈服強度，因而刀具會對材料產(chǎn)生不斷破壞.從圖中可以看出，在侵徹基板的同時，刀尖也發(fā)生明顯的變形.在大約4 ms時，刀具在豎直方向的速度減為0，并在背襯和基板彈力的共同作用下反向運動.當(dāng)?shù)都馀c基板脫離時，由于刀體自身有較大程度的彎曲(圖12(b))，會通過一定幅度的擺動進(jìn)行彈塑性恢復(fù)，導(dǎo)致刀體內(nèi)部仍有較大應(yīng)力.

2.2 實驗結(jié)果

通過數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，厚度為1.0 mm、傾角為22.5°的三棱錐型防刺基板能夠有效抵御刀具的沖擊，因此在實驗過程中，將防刺基板的厚度定為0.8,1.0,1.2 mm.對3D打印鈦合金三棱錐型防刺基板在不同的基板厚度下進(jìn)行落錘沖擊實驗，結(jié)果如圖13所示.對于0.8 mm厚度的防刺基板，在進(jìn)行第4次落錘沖擊測試后，刀具穿透基板且基板開裂.當(dāng)防刺基板厚度為1.0和1.2 mm時，5次落錘沖擊試驗均未穿透基板.

其中厚度為1.0和1.2 mm的防刺基板面密度分別為4.20和 5.04 kg/m2,意味著0.3 m2的防護(hù)面積要求下，防刺服中防刺層的重量在不加裝連接結(jié)構(gòu)時可降至1.26 kg.

2.3 成衣制作

通過前期的研究得到了3D打印仿生型三棱錐防刺基板的最優(yōu)設(shè)計，三棱錐角度為22.5°，基板厚度為1 mm，三棱錐邊長為10 mm.防刺服中的防刺層由多塊防刺基板通過各種連接方式拼接而成，在抗沖擊的過程中會產(chǎn)生較為顯著的尺寸效應(yīng)，導(dǎo)致整體防刺性能有一定程度的下降.因而在制作防刺層的過程中，采用了一種改進(jìn)型鈦合金(TC611)材料，該種鈦合金(TC611)材料是將原有的鈦合金(TC4)材料中的組成元素部分替換，通過退火工藝加工而成.該種鈦合金(TC611)材料成本低，在密度接近的前提下準(zhǔn)靜態(tài)及動態(tài)力學(xué)性能均優(yōu)于原有鈦合金(TC4).采用改進(jìn)型鈦合金來模壓成型，既提高了生產(chǎn)效率，也極大地降低了生產(chǎn)成本，并對基板之間的連接方式進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，將基板拼接為整體防刺層.基于防刺服靈活性和透氣性的考慮，設(shè)計了一種過渡結(jié)構(gòu)來用鉚釘連接防刺基板.由于基板在刀具沖擊過程中不僅受到刀具的破壞作用和背襯材料的緩沖作用，周圍的連接結(jié)構(gòu)會對防刺基板產(chǎn)生明顯的抑制作用.因此連接結(jié)構(gòu)的存在可能會使單塊基板的防刺性能有所下降.圖14所示為基板連接示意圖以及整體防刺層視圖.基板連接處的弧面結(jié)構(gòu)采取加厚措施以增強防刺性能.

圖15為通過模壓成型將改進(jìn)型鈦合金制成防刺服防刺層的實體圖.防刺層選用三棱錐結(jié)構(gòu)22.5°和厚度1 mm的基板.整個防刺服的防刺層具備了較好的靈活性，彎曲程度比較高，與人體較為貼合.同時，連接處空隙的存在，加強了整個防刺層的透氣性，使服裝熱濕舒適性有所提高.

在落錘沖擊實驗測試中，每一次刀具的沖擊能量都被完全吸收而刀具并未穿過防刺層，證明防刺層完全滿足防刺性能要求.防刺層整體的面密度為4.5 kg/m2,在符合0.3 m2的防護(hù)面積要求下，防刺服中防刺層整體重量可降至1.35 kg.

3 結(jié) 論

對防刺服的防刺層結(jié)構(gòu)提出了新型設(shè)計方案，即“三棱錐”型仿生型防刺結(jié)構(gòu).采用3D打印新型制造技術(shù)進(jìn)行前期的實驗測試與探究來確定防刺基板的結(jié)構(gòu)尺寸，通過開模成型最終制造出相應(yīng)的防刺層，并依照警用防刺服標(biāo)準(zhǔn)GA 68-2008進(jìn)行落錘沖擊實驗測試.結(jié)論如下：

① 基于模擬與3D打印三棱錐型基板的防刺性能測試結(jié)果，采用開模成型的方法，制造出三棱錐型仿生型防刺層，并進(jìn)行刀具沖擊測試.結(jié)果表明三棱錐型防刺基板具備極好的防刺性能，即1 mm厚度防刺層能抵御24 J刀具的沖擊破壞，符合國標(biāo)GA 68—2008要求.

② 采用鉚釘與過渡弧面將防刺基板設(shè)計拼接為防刺服的防刺層，具備較高的靈活性和透氣性，并通過增加連接處弧面的厚度來提高防刺層的防刺性能.

③ 3D打印三棱錐型鈦合金防刺基板的厚度為1 mm時，基板的面密度為4.2 kg/m2.采用改進(jìn)型鈦合金模壓成型制作的整體防刺層面密度為4.5 kg/m2,在符合0.3 m2的防護(hù)面積要求下，防刺服中防刺層整體重量可降至1.35 kg，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有硬質(zhì)防刺服的重量.