姜 荃，溫垚珂，張俊斌，徐 誠，黃雪鷹

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094；2.中國人民解放軍63850部隊, 吉林 白城 137001)

當(dāng)前各國軍隊列裝的單兵防彈衣均能有效抵御制式槍彈的侵徹，避免彈丸直接射入人體造成貫穿性傷害。但是槍彈撞擊防彈衣時產(chǎn)生的壓力波和防彈衣凹陷依舊會對人體造成非貫穿性傷害，即防彈衣后鈍擊損傷(behind armor blunt trauma，BABT)[1-2]。研究中發(fā)現(xiàn)不同種類的槍彈打擊防彈衣后造成的鈍擊損傷程度是存在差異的。因而需要研究不同種類槍彈鈍擊防彈衣后致人體鈍性損傷的效能，建立槍彈入射參數(shù)與防彈衣后鈍擊效應(yīng)的力學(xué)量之間關(guān)系。

目前，國內(nèi)外已有不少關(guān)于槍彈對有防護(hù)靶標(biāo)鈍擊效能的研究。黃珊[3]對兩種不同步槍彈鈍擊有防護(hù)明膠靶標(biāo)時壓力波的傳遞特性進(jìn)行了實驗研究，得出不同步槍彈鈍擊有防護(hù)明膠靶標(biāo)內(nèi)壓力峰值傳遞的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停遣煌N類槍彈的傳遞模型須匹配相對應(yīng)的經(jīng)驗系數(shù)且不具有規(guī)律性； Roberts等[4]和董萍等[5]利用有限元方法研究了彈丸以不同速度撞擊防彈衣后人體胸腹部組織器官的鈍擊效應(yīng)，對復(fù)合防彈衣的防彈效果和主要器官的受力情況進(jìn)行了分析和評估。蘇正林等[6]開展了某型步槍彈以不同的速度打擊有防護(hù)長白豬的實驗，認(rèn)為防彈衣后鈍性損傷的程度與彈丸的動能呈正相關(guān)。王凌青[7]通過3種不同的典型槍彈在入射動能一致的條件下打擊穿著防護(hù)的長白豬，得出槍彈致防彈衣后鈍性損傷與槍彈類型有關(guān)的結(jié)論，但未對不同槍彈入射參數(shù)與防彈衣后鈍性損傷程度之間的關(guān)系進(jìn)行深入研究。唐劉建[8,9]開展了手槍彈侵徹有防護(hù)人體模擬靶標(biāo)的試驗研究，同時建立了手槍彈侵徹軟防護(hù)人體上軀干靶標(biāo)的數(shù)值模擬模型，為防彈衣后鈍擊傷分析與評估提供了理論和方法支撐。Bass等[10]以人類尸體為實驗對象，得出防彈衣后人體鈍性損傷程度與入射彈丸的沖擊力和撞擊速度有很強相關(guān)性的結(jié)論，制定了防彈衣后人體損傷程度標(biāo)準(zhǔn)。上述國內(nèi)外文獻(xiàn)對槍彈鈍擊有防護(hù)靶標(biāo)效能的研究過程中大多采用子彈的入靶動能作為研究變量，然而不同種類槍彈在入靶動能一致的情況下對有防護(hù)靶標(biāo)的鈍擊效應(yīng)存在較大差異，因此在研究不同槍彈之間的鈍擊效應(yīng)時須考慮槍彈動能之外的其他入靶參數(shù)。

本文運用數(shù)據(jù)擬合回歸分析法，對不同種類的典型步槍彈鈍擊有防護(hù)明膠靶標(biāo)的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，建立了入靶動量與明膠最大凹陷量及明膠靶標(biāo)內(nèi)部壓力傳遞之間的量效關(guān)系。構(gòu)建了鈍擊過程中明膠靶標(biāo)內(nèi)的壓力傳遞模型和明膠最大凹陷量計算模型，并開發(fā)了一套輕武器對有防護(hù)明膠靶標(biāo)鈍擊效應(yīng)計算與評估程序。

1 鈍擊效應(yīng)傳遞模型建立

1.1 實驗數(shù)據(jù)分析

1.1.1鈍擊過程中明膠靶標(biāo)內(nèi)壓力傳遞分析

分析3種入靶動能相同的步槍彈鈍擊NIJ Ⅲ級硬質(zhì)防護(hù)插板+警用Ⅱ級PE軟防護(hù)后在300 mm×300 mm×300 mm明膠靶標(biāo)中產(chǎn)生的壓力峰值傳遞的實驗數(shù)據(jù)，如圖1所示。明膠靶標(biāo)內(nèi)部以陣列的方式布置5支壓力傳感器，布置位置為：(0,10,5)、(0,10,10)、(0,10,15)、(0，10，20)和(0,5,25)，分別測量彈丸撞擊過程中明膠靶標(biāo)內(nèi)各傳感器位置的壓力峰值。

圖1 明膠靶標(biāo)內(nèi)部壓力測試系統(tǒng)示意圖

圖2表示3種入靶動能相近的步槍彈鈍擊有防護(hù)明膠靶標(biāo)后靶標(biāo)內(nèi)部壓力峰值傳遞情況，實驗中的3種步槍彈分別為：5.8 mm通用步槍彈(彈頭質(zhì)量4.55 g)入靶速度911 m/s、動能1 890 J；SS109 5.56 mm步槍彈(彈頭質(zhì)量4 g)入靶速度967 m/s 、動能1 870 J；56式7.62 mm步槍彈(彈頭質(zhì)量7.9 g)入靶速度688 m/s、動能1 870 J。

圖2 明膠靶標(biāo)內(nèi)部壓力峰值傳遞曲線

由圖2實驗數(shù)據(jù)可看出，入靶動能相近的3種步槍彈對有防護(hù)明膠靶標(biāo)造成鈍擊效應(yīng)的強弱程度分別為：56式7.62 mm步槍彈>5.8 mm 步槍彈>SS109 5.56 mm步槍彈。

1.1.2鈍擊過程中明膠靶標(biāo)內(nèi)最大凹陷量分析

表1是5.8 mm通用步槍彈(彈頭質(zhì)量4.55 g)、56式7.62 mm步槍彈(彈頭質(zhì)量7.9 g)和53式7.62 mm穿甲彈(彈頭質(zhì)量10.5 g)鈍擊NIJ Ⅲ級硬質(zhì)防護(hù)插板+警用Ⅱ級PE軟防護(hù)后的實驗數(shù)據(jù)，每種槍彈取3組實驗數(shù)據(jù)(選用53式7.62 mm穿甲彈未擊穿防護(hù)的實驗數(shù)據(jù))。

表1 步槍彈鈍擊防護(hù)后明膠靶標(biāo)實驗數(shù)據(jù)

入靶動能與明膠最大凹陷量擬合曲線如圖3所示，把入靶動能作為研究參數(shù)，將入靶動能與明膠最大凹陷量繪制散點圖進(jìn)行線性擬合；入靶動量與明膠最大凹陷量線性擬合如圖4所示，把入靶動量作為研究參數(shù)，將入靶動量與明膠最大凹陷量繪制散點圖進(jìn)行線性擬合。

對比圖3和圖4可看出，鈍擊效應(yīng)中明膠靶標(biāo)最大凹陷量均與兩種不同的入靶參數(shù)呈正相關(guān)，其中與入靶動能的相關(guān)度不如與入靶動量的相關(guān)度。

圖3 入靶動能與明膠最大凹陷量擬合曲線

圖4 入靶動量與明膠最大凹陷量擬合曲線

1.2 基于入靶動量的傳遞模型

彈丸撞擊有防護(hù)明膠靶標(biāo)的過程符合非彈性碰撞的特點,即碰撞時物體發(fā)生形變，撞擊瞬間，絕大部分能量被碰撞雙方吸收，體現(xiàn)為碰撞物體不可逆的形變(彈丸破碎、防彈衣凹陷變形等)，其余能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械波在明膠靶標(biāo)內(nèi)部和空氣中傳播。非彈性碰撞過程中，系統(tǒng)的動量守恒而機(jī)械能有損失，忽略彈頭結(jié)構(gòu)及彈丸變形方式的影響因素，靶標(biāo)受到撞擊后防彈衣的變形凹陷量及明膠內(nèi)部的壓力波峰值與彈丸的入靶動量(P=mv)具有較大相關(guān)性。

分析圖2中的數(shù)據(jù)可知，在明膠靶標(biāo)內(nèi)部的任意固定壓力測量點下，不同種類槍彈撞擊防護(hù)后產(chǎn)生的壓力波峰值與彈頭的入靶動量呈線性相關(guān)。明膠靶標(biāo)內(nèi)部的壓力峰值隨傳遞距離的增加呈指數(shù)級衰減，參照文獻(xiàn)[3]給出的明膠內(nèi)壓力衰減系數(shù)：k=-0.009。

對實驗數(shù)據(jù)擬合處理，提出槍彈撞擊有防護(hù)明膠靶標(biāo)內(nèi)部壓力波峰值計算的傳遞模型為：

河南建成農(nóng)村公路骨干路網(wǎng)，實現(xiàn)縣城與縣城之間二級及以上公路為主的連接；實現(xiàn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)與周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間三級公路以上為主的連接；實現(xiàn)村村通鄉(xiāng)村道路運營正常，為農(nóng)村農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活提供了保障。

P(m)=(λmv+C)·exp(kx)

(1)

式中：m為彈丸質(zhì)量；v為彈丸撞擊防護(hù)速度；λ和C為經(jīng)驗系數(shù)；k為明膠內(nèi)壓力波衰減系數(shù)；x為彈著點與傳感器距離(mm)。本次實驗中擬合得到的相關(guān)經(jīng)驗系數(shù)為：λ=767.7、C=-1 590。

根據(jù)圖4的入靶動量與明膠最大凹陷量的線性擬合，步槍彈鈍擊防護(hù)明膠靶標(biāo)后明膠的最大凹陷量可用線性回歸方程表示為：

y=4.048 6mv+13.108

(2)

由于回歸方程的斜率為4.048 6，因此可判斷隨著槍彈入靶動量的增長，防彈衣后明膠的最大凹陷量逐漸增加。

2 鈍擊效應(yīng)傳遞模型的驗證

為驗證本文提出的步槍彈對有防護(hù)明膠靶標(biāo)鈍擊作用傳遞模型的適用性和可靠性，用明膠內(nèi)壓力峰值傳遞模型對兩種不同的典型步槍彈的鈍擊效應(yīng)進(jìn)行計算，并將模型計算結(jié)果與防護(hù)條件下明膠靶標(biāo)內(nèi)壓力波的測量實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，相關(guān)實驗數(shù)據(jù)源于參考文獻(xiàn)[3]。

圖5～圖10為使用文獻(xiàn)[3]中SS109 5.56 mm步槍彈和56式7.62 mm步槍彈的入靶動量作為鈍擊效應(yīng)模型輸入條件，每種槍彈分別以3組實驗值與明膠靶標(biāo)內(nèi)壓力峰值傳遞模型計算結(jié)果。圖5～圖7為SS109 5.56 mm步槍彈數(shù)據(jù)組的模型計算與已知實驗結(jié)果，圖8～圖10為56式7.62 mm步槍彈數(shù)據(jù)組的模型計算與已知實驗結(jié)果。

圖5 SS109 5.56 mm步槍彈第1組實驗數(shù)據(jù)與模型計算結(jié)果

圖6 SS109 5.56 mm步槍彈第2組實驗數(shù)據(jù)與模型計算結(jié)果

圖7 SS109 5.56 mm步槍彈第3組實驗數(shù)據(jù)與模型計算結(jié)果

圖8 56式7.62 mm步槍彈第1組實驗數(shù)據(jù)與模型計算結(jié)果

圖9 56式7.62 mm步槍彈第2組實驗數(shù)據(jù)與模型計算結(jié)果

圖10 56式7.62 mm步槍彈第3組實驗數(shù)據(jù)與模型計算結(jié)果

圖5～圖10的對比可以看出，在每組對比中傳遞模型繪制出的曲線與已知實驗結(jié)果基本吻合，對比誤差低于15%，在可接受范圍內(nèi)。

經(jīng)過實驗驗證，本文提出的明膠內(nèi)壓力峰值傳遞模型是有效可靠的，對于不同種類槍彈鈍擊有防護(hù)明膠靶標(biāo)后明膠內(nèi)部壓力波傳遞預(yù)測具有很好的適用性，為研究槍彈對防護(hù)靶標(biāo)的鈍擊效能提供參考依據(jù)。

3 輕武器對有防護(hù)明膠靶標(biāo)鈍擊效應(yīng)計算與評估程序開發(fā)

依據(jù)以上分析研究，本文所建立的傳遞模型具有一定代表性，能準(zhǔn)確預(yù)測不同種類槍彈在不同入射速度下鈍擊防護(hù)后明膠靶標(biāo)內(nèi)部壓力波傳遞情況和明膠最大凹陷量。因此，本文根據(jù)上述槍彈鈍擊帶防護(hù)明膠靶標(biāo)的壓力傳遞模型和明膠最大凹陷量計算模型，基于Knowle Builder軟件，開發(fā)了輕武器對有防護(hù)明膠靶標(biāo)鈍擊效應(yīng)計算與評估專用程序，為相關(guān)科研人員研究槍彈對有防護(hù)靶標(biāo)的鈍擊效能提供便利。

輕武器對有防護(hù)明膠靶標(biāo)鈍擊效應(yīng)計算與評估程序通過對實驗數(shù)據(jù)擬合分析得到的傳遞模型，針對不同種類槍彈對不同防護(hù)條件下有生模擬目標(biāo)的鈍擊效應(yīng)進(jìn)行預(yù)測，基本上涵蓋了國內(nèi)的典型槍彈和鈍擊防護(hù)的實驗內(nèi)容，能準(zhǔn)確預(yù)測出槍彈的鈍擊效應(yīng)。這樣，研究人員只需要選擇的實驗內(nèi)容、輸入相關(guān)參數(shù)即可得到相應(yīng)的結(jié)果，從而大幅減少工作量。

防彈衣雖然能有效抵御槍彈的侵徹，但在彈丸撞擊過程中產(chǎn)生的壓力波會通過防彈衣傳遞到人體，從彈著點由近及遠(yuǎn)向四周擴(kuò)散，造成人體組織的損傷，壓力波對人體組織的傷害效應(yīng)可作為防彈衣后鈍性傷害的重要評估指標(biāo)。圖11表示人體組織受壓力損傷評估判據(jù)[4-12]。

圖11 人體組織受壓力損傷評估判據(jù)框圖

輕武器對有防護(hù)明膠靶標(biāo)鈍擊效應(yīng)計算與評估專用程序是基于知識工程(KBE)的軟件平臺Knowle Builder開發(fā)的，利用Knowle Builder軟件平臺中的電子表格開發(fā)工具，主要有槍彈對有防護(hù)明膠靶標(biāo)鈍擊效應(yīng)計算和人體受鈍擊傷害評估兩大功能。

圖12和圖13是槍彈對有防護(hù)靶標(biāo)鈍擊效應(yīng)計算程序中相關(guān)模塊界面，在“槍彈鈍擊防護(hù)明膠內(nèi)部壓力峰值計算” 模塊中首先選擇槍彈種類，設(shè)置槍彈入射速度，明膠內(nèi)部壓力測量點距離等參數(shù)，自動輸出計算結(jié)果，包括明膠內(nèi)固定壓力測量點的數(shù)據(jù)表格和繪制明膠內(nèi)壓力傳遞曲線圖，所輸入壓力測量點的壓力值及該點處的等效人體組織損傷程度； 在“槍彈打擊防護(hù)后明膠凹陷量計算”模塊中，鼠標(biāo)點擊“選擇槍彈種類”后下拉列表選項即可選擇相應(yīng)的典型槍彈，“防護(hù)類型”一欄自動匹配不同槍彈對應(yīng)的不同防護(hù)類型，設(shè)置槍彈入射速度，自動計算出明膠最大凹陷量。

圖12 槍彈鈍擊防護(hù)明膠內(nèi)部壓力峰值計算程序界面截圖

圖13 槍彈打擊防護(hù)后明膠凹陷量計算程序界面截圖

4 結(jié)論

1) 本文以非彈性碰撞過程中系統(tǒng)的動量守恒且機(jī)械能損失為理論依據(jù)，引入槍彈撞擊防護(hù)時的入靶動量(P=mv)作為研究變量，對多種不同種類步槍彈鈍擊有防護(hù)明膠靶標(biāo)的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，建立了槍彈鈍擊有防護(hù)明膠靶標(biāo)內(nèi)部壓力峰值傳遞模型和槍彈鈍擊防護(hù)后明膠最大凹陷量計算模型。

2) 槍彈鈍擊有防護(hù)明膠靶標(biāo)內(nèi)部壓力峰值傳遞模型對于不同種類槍彈鈍擊有防護(hù)明膠靶標(biāo)后明膠內(nèi)部壓力波傳遞預(yù)測具有很好的適用性。

3) 基于知識工程的軟件平臺Knowle Builder開發(fā)了一套輕武器對有防護(hù)明膠靶標(biāo)鈍擊效應(yīng)計算與評估程序，有助于相關(guān)科研人員快速確定不同種類槍彈對有防護(hù)明膠靶標(biāo)的鈍擊效應(yīng)。