基于三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的防彈衣性能測(cè)試與評(píng)估

溫垚珂，鄭浩，張俊斌，閆文敏，劉飛

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.63850部隊(duì)，吉林 白城 137001；3.瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102202；4.中國(guó)兵器工業(yè)第208研究所，北京 102202)

0 引言

防彈衣可以吸收槍彈的動(dòng)能，阻止其對(duì)人體的直接侵徹傷害，但仍有部分能量可以傳遞到機(jī)體，導(dǎo)致機(jī)體局部鈍性挫傷及腦損傷[1]。研究表明，防彈衣的背面變形(BFD)是造成防彈衣后鈍性損傷的主要原因。目前，防彈衣背面變形量與人體胸部損傷之間的量效關(guān)系尚未完全明晰，還需要進(jìn)一步開展相關(guān)研究，以期為防彈衣性能評(píng)判與人體鈍擊損傷評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

工業(yè)界普遍采用防彈衣BFD在膠泥中留下的凹坑深度來評(píng)估防彈衣的防護(hù)性能[2]。這種方法雖然簡(jiǎn)單易用，但無法獲得防彈衣BFD的動(dòng)態(tài)過程數(shù)據(jù)。Wen等[3]、Luo等[4]采用高速攝影獲得了防彈衣后面彈道明膠中的瞬時(shí)凹陷變化過程，為鈍擊損傷評(píng)估提供了科學(xué)數(shù)據(jù)。為了評(píng)估不同防彈結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，F(xiàn)reitas等[5]采用三維數(shù)字圖像相關(guān)(3D-DIC)技術(shù)對(duì)17種防彈板在槍彈侵徹過程中BFD的情況進(jìn)行拍攝，獲得了BFD的三維全場(chǎng)信息。劉青青等[6-7]基于3D-DIC技術(shù)分別研究了爆炸和低速?zèng)_擊作用下碳纖維層合板的變形情況，從而驗(yàn)證了3D-DIC在研究復(fù)合材料層合板抗沖擊性能中的有效應(yīng)用。Hisley等[8]基于防彈頭盔的3D-DIC測(cè)試數(shù)據(jù)，采用鈍性準(zhǔn)則(BC)評(píng)估了頭盔遭受鈍擊時(shí)對(duì)人體頭部造成的損傷嚴(yán)重度。

BC最早用于評(píng)估鈍器傷和非致命動(dòng)能武器傷，諸多研究表明，BC模型評(píng)估結(jié)果與尸體和動(dòng)物鈍性損傷的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有很好的相關(guān)性[9]。Sturdivan等[10]對(duì)BC的適用范圍進(jìn)行擴(kuò)展，并通過分析Clare等[11]、Stalnaker等[12]的鈍擊傷數(shù)據(jù)建立了BC評(píng)估值與簡(jiǎn)明損傷量表(AIS)損傷評(píng)分間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而使評(píng)估結(jié)果更加直觀。

本文采用3D-DIC技術(shù)獲得了5.8 mm通用彈射擊美國(guó)司法協(xié)會(huì)(NIJ)Ⅲ級(jí)防彈衣時(shí)，防彈衣背面鼓包形態(tài)和變形速度等動(dòng)態(tài)信息；隨后基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用BC對(duì)可能造成的人體鈍擊損傷進(jìn)行評(píng)估，獲得了不同間隙時(shí)人體相應(yīng)的AIS損傷等級(jí)。

1 防彈衣性能測(cè)試

1.1 防彈衣參數(shù)

本文選用江蘇領(lǐng)瑞新材料科技有限公司生產(chǎn)的碳化硅/超高分子量聚乙烯(SiC/UHMWPE)防彈衣進(jìn)行試驗(yàn)，防護(hù)級(jí)別符合美國(guó)執(zhí)法人員用防彈背心防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)NIJ Ⅲ級(jí)。防彈衣尺寸為300 mm×250 mm，防護(hù)面積為680 cm2，弧度為π/5 rad.其中：SiC陶瓷的厚度為6 mm，面密度為3.2 g/cm2；UHMWPE背板厚度為8 mm，面密度為11.56 kg/m2.

1.2 試驗(yàn)原理

數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)由日本Yamaguchi[13]和美國(guó)南卡羅萊納大學(xué)Peters等[14]于20世紀(jì)80年代相繼獨(dú)立提出。這是一種通過對(duì)試件表面變形前后散斑圖像的灰度矩陣進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，由匹配算法確定計(jì)算點(diǎn)變形前后的空間位置，從而獲得試件表面位移和應(yīng)變信息的光學(xué)測(cè)試試驗(yàn)方法。3D-DIC是將雙目立體視覺原理與DIC技術(shù)相結(jié)合，首先利用兩個(gè)互成角度的相機(jī)拍攝被測(cè)物體表面，再利用二維DIC中的相關(guān)匹配算法來還原被測(cè)物體表面各點(diǎn)變形前后的空間坐標(biāo)，進(jìn)而得到被測(cè)物體表面形狀和三維空間信息[15]。

1.3 散斑制作

合適的散斑大小、分布及其與被測(cè)物表面良好的粘接是取得可靠DIC分析結(jié)果的前提。根據(jù)被測(cè)物表面大小，通過DIC軟件計(jì)算得到最適散斑點(diǎn)的直徑為1.524 mm(0.06 in)。隨后通過程序生成隨機(jī)分布且散斑區(qū)域占比約50%的散斑圖像并打印。在瞬態(tài)沖擊過程中，防彈衣背面散斑極易在沖擊過程中脫落，從而造成DIC分析無法進(jìn)行。經(jīng)多次改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)利用轉(zhuǎn)印紙可以較好地將散斑粘貼在防彈衣背面，并且在沖擊過程中不易脫落,防彈衣背面散斑如圖 1所示。

圖1 試驗(yàn)用防彈衣背面散斑

1.4 試驗(yàn)方案

測(cè)試系統(tǒng)組成如圖2所示，圖2(a)和圖2(b)分別對(duì)應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)示意圖和現(xiàn)場(chǎng)布置圖。防彈衣被固定在架子上，迎彈面距離槍口15 m.兩臺(tái)高速相機(jī)分別放在防彈衣后面沿彈道方向兩側(cè)，用以拍攝防彈衣背面散斑區(qū)域的動(dòng)態(tài)變形過程。高速相機(jī)分辨率1 280像素×800像素、采樣頻率20 000幀/s、曝光時(shí)間50 μs.紅外觸發(fā)器放置在槍口附近，通過膛口火焰給高速相機(jī)發(fā)送同步觸發(fā)信號(hào)。光電測(cè)速儀放在距離槍口3 m處，用來測(cè)量子彈的飛行速度。兩個(gè)直流LED光源射向防彈衣背面，以保證充足的照明。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)組成

2 鈍性準(zhǔn)則

由美國(guó)陸軍生物、物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室提出的BC在預(yù)測(cè)鈍擊傷嚴(yán)重程度方面比單獨(dú)地用沖擊動(dòng)能預(yù)測(cè)具有更高的準(zhǔn)確性[16]。BC將防彈衣BFD撞擊人體的過程等效為球體以一定動(dòng)能撞擊人體。BC是從描述撞擊的物理特性出發(fā)，考慮了彈丸和作用目標(biāo)的質(zhì)量、撞擊速度和幾何尺寸的影響，從而得出的一組經(jīng)驗(yàn)公式。其計(jì)算公式如下:

(1)

式中：E為撞擊胸部有效動(dòng)能(J)；W為胸部有效質(zhì)量(kg)；T為胸壁厚度(cm)；D為撞擊胸部有效直徑(cm)。

在本文中，將評(píng)估防彈衣BFD對(duì)中國(guó)50百分位成年男性[17](人體質(zhì)量Wb=70 kg)的傷害嚴(yán)重程度。按照Sturdivan等[10]給出的胸部質(zhì)量占人體總質(zhì)量的百分比來計(jì)算，W=0.21×70 kg=14.7 kg.

胸壁厚度T的估計(jì)按照Frank等[18]的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，給出如下公式：

(2)

式中：k為修正系數(shù)，女性k=0.593，男性k=0.711.由此計(jì)算得到人體質(zhì)量為70 kg的男性胸壁厚度T≈2.93 cm.

圖3 球形鈍器沖擊人體胸部示意圖

獲取BFD傳遞給人體的有效動(dòng)能是進(jìn)行鈍擊損傷評(píng)估的關(guān)鍵。3D-DIC試驗(yàn)可以方便地獲得不同時(shí)刻BFD的形狀、變形速度等信息，從而為傳遞給人體有效動(dòng)能的計(jì)算提供了可能。

防彈衣背面?zhèn)鬟f給胸部的有效動(dòng)能E是t時(shí)刻BFD量超出防彈衣與胸部間隙時(shí)具有的最大動(dòng)能，并認(rèn)為該動(dòng)能被全部消耗，其計(jì)算公式[8]如下:

(3)

式中：m(t)為防彈衣變形區(qū)域的質(zhì)量(kg)；v為t時(shí)刻防彈衣BFD區(qū)域的最大速度；ρ′(t)為在該防彈插板部分穿透之后剩余的防彈層面密度；A(t)e為防彈衣BFD區(qū)域與胸部的接觸面積(m2)。本文中，ρ′(t)為7.70 kg/m2，取防彈衣完整PE層面密度11.56 kg/m2的2/3(近似為彈道沖擊后剩余的層數(shù))。

3 試驗(yàn)結(jié)果

采用95-1式自動(dòng)步槍發(fā)射5.8 mm通用彈，射擊NIJ Ⅲ級(jí)SiC/UHMWPE防彈衣中部。每塊防彈衣僅射擊1發(fā)，共進(jìn)行4組試驗(yàn)。光電測(cè)速儀獲得的4組試驗(yàn)子彈平均入靶速度為920.6 m/s.通過3D-DIC軟件對(duì)拍攝的散斑圖像進(jìn)行分析，獲得防彈衣BFD最大點(diǎn)處位移隨時(shí)間變化曲線(見圖4(a))和變形速度隨時(shí)間變化曲線(見圖4(b))。4組試驗(yàn)中瞬態(tài)鼓包高度在增長(zhǎng)階段的曲線較為一致，在受到?jīng)_擊后的0.8～1.0 ms內(nèi)均達(dá)到最大鼓包高度，其平均值為22.7 mm.之后，鼓包高度迅速減小，并經(jīng)歷3～4次膨脹收縮后停止運(yùn)動(dòng)，靜態(tài)平均鼓包高度為16.3 mm.在鼓包回彈階段，4組曲線的變化規(guī)律基本一致，但撞擊速度931.2 m/s的試驗(yàn)結(jié)果明顯大于其他3組，這可能是因?yàn)閺椫c(diǎn)位置及撞擊速度差異造成的。鼓包的變形速度曲線上有一正一負(fù)兩個(gè)明顯的峰值，分別對(duì)應(yīng)鼓包第1次膨脹和收縮過程中的最大變形速度，其中正向最大變形速度的平均值為117.7 m/s.以撞擊速度911.3 m/s的兩組試驗(yàn)為例，鼓包開始膨脹時(shí)的平均最大變形速度為104.5 m/s，鼓包收縮階段的平均最大速度為-10.2 m/s.

圖4 受到射擊后防彈衣背面最大點(diǎn)處變形情況

圖5 撞擊速度931.2 m/s試驗(yàn)中防彈衣背面在不同時(shí)刻的變形情況

考慮對(duì)防彈衣后鈍擊損傷做一個(gè)最嚴(yán)重程度的預(yù)測(cè)，則需要計(jì)算最大有效動(dòng)能，相應(yīng)的計(jì)算速度應(yīng)該選取這一時(shí)刻變形區(qū)域內(nèi)的最大速度，在DIC軟件的后處理中可以將分析區(qū)域內(nèi)所有的變形數(shù)據(jù)輸出到Excel文件，進(jìn)一步可以得到最大速度。

假設(shè)防彈衣背面和人體胸部表面的間隙為5 mm和10 mm兩種情況，分別計(jì)算相應(yīng)的BC分值(見表1)。對(duì)于表1中的第1組防彈衣距胸部間隙為5 mm時(shí)的數(shù)據(jù)，有效能量是使用圖5中在6.75 ms時(shí)刻BFD量超過5 mm(最大動(dòng)能)時(shí)的DIC數(shù)據(jù)計(jì)算得到。同樣，其他3組有效能量也可以使用相應(yīng)的DIC數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

表1 兩種不同間隙時(shí)的BC值

圖6所示為彈頭入靶速度931.2 m/s時(shí)，防彈衣背面鼓包在各個(gè)時(shí)刻的最大速度、接觸面積和有效動(dòng)能曲線。由圖6可見：在6.75 ms時(shí)刻具有最大動(dòng)能為137.8 J；在變形的初期速度雖然很大，但接觸面積非常小，導(dǎo)致接觸面具有的動(dòng)能不是最大值，隨著接觸面積的增加，動(dòng)能將增大；在變形后期雖然接觸面積非常大，但此時(shí)的速度較小，使得接觸面具有的動(dòng)能較低，表明在變形后期防彈衣的變形對(duì)胸部造成的傷害較小。

圖6 撞擊速度為931.2 m/s時(shí)防彈衣背面各個(gè)時(shí)刻的最大速度、接觸面積和有效動(dòng)能曲線

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

王凌青[19]用高速攝影機(jī)記錄了5.8 mm通用彈侵徹NIJ Ⅲ級(jí)Al2O3/UHMWPE防彈衣的動(dòng)態(tài)過程，結(jié)果表明防彈衣背面約在0.5～1.0 ms內(nèi)達(dá)到最大變形，平均最大變形量在29 mm左右。在防護(hù)等級(jí)相同的前提下，與本文進(jìn)行的4組5.8 mm通用彈侵徹SiC/UHMWPE防彈衣試驗(yàn)相比，防彈衣達(dá)到最大變形量所用時(shí)間相近，但本文平均最大變形量為22.7 mm.由于SiC陶瓷防護(hù)性能優(yōu)于Al2O3陶瓷[20]，這一差異是合理的。

Sturdivan等[10]和Bir等[21]分別基于Clare等[11]的鈍擊傷數(shù)據(jù)和尸體鈍擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了BC與AIS的對(duì)應(yīng)關(guān)系。Bir等[21]使用鈍性彈丸撞擊尸體獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算BC值，用平均值表示胸部出現(xiàn)50%損傷概率時(shí)對(duì)應(yīng)的BC值。當(dāng)AIS小于4時(shí)，BC取值范圍為-0.75～1.25，且胸部發(fā)生AIS 2級(jí)或3級(jí)損傷的平均BC值為0.37.Sturdivan等[10]考慮到活體組織對(duì)外部威脅具有更好的抵抗力，并使用Clare等[11]的動(dòng)物活體試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算BC值，從而建立了BC值與AIS對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表2所示。

表2 BC值與AIS等級(jí)和損傷程度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

表1所示為本文計(jì)算得到的4組試驗(yàn)BC值，當(dāng)防彈衣與胸部的間隙為5 mm時(shí)，BC值分別為1.19、1.08、0.62和0.96，平均值為0.96，對(duì)應(yīng)的AIS等級(jí)是4～5，表明接觸面攜帶的巨大能量可能對(duì)胸部造成嚴(yán)重?fù)p傷。當(dāng)防彈衣與胸部的間隙為10 mm時(shí)，最大值為0.25，最小值為-0.34，1、2兩組試驗(yàn)的平均BC值為0.215，對(duì)應(yīng)AIS 1～2級(jí)；3、4兩組試驗(yàn)的平均BC值為-0.15，該值小于胸部發(fā)生AIS 1級(jí)損傷時(shí)的值。當(dāng)有效動(dòng)能E

本文中的試驗(yàn)是用槍彈對(duì)防彈衣直接侵徹，與實(shí)際情況相比缺少胸部的支撐作用，因此得到的鼓包變形量和速度等數(shù)據(jù)比實(shí)際值略大。另外，本文的有效動(dòng)能是由變形區(qū)域的最大速度與變形區(qū)域面積計(jì)算得到的，這樣計(jì)算得到的有效動(dòng)能以及BC值也要比實(shí)際值偏大。

5 結(jié)論

本文對(duì)5.8 mm通用彈侵徹SiC/UHMWPE防彈衣的過程進(jìn)行了研究，通過3D-DIC測(cè)試方法得到了防彈衣瞬態(tài)變形量和速度等隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。結(jié)合鈍性準(zhǔn)則和簡(jiǎn)明損傷量表對(duì)防彈衣距胸部間隙分別為5 mm和10 mm時(shí)進(jìn)行了鈍性損傷程度的評(píng)估。得出如下主要結(jié)論：

1)在侵徹過程中最大鼓包高度的平均值為22.7 mm，靜態(tài)鼓包高度的平均值為16.3 mm，最大變形速度的平均值為117.7 m/s.

2)當(dāng)防彈衣與胸部的安全距離取5 mm時(shí)，計(jì)算出的BC平均值為0.96，對(duì)應(yīng)著AIS 4～5等級(jí)，此時(shí)防彈衣后鈍擊效應(yīng)仍可造成胸部的嚴(yán)重?fù)p傷。當(dāng)安全距離增加至10 mm時(shí)，計(jì)算的BC值受槍彈初速度影響較大，但AIS等級(jí)均小于3，此時(shí)防彈衣后鈍擊效應(yīng)對(duì)胸部造成輕微損傷甚至無損傷。