非侵徹條件下豬體和明膠靶內壓力衰減試驗研究

曾 鑫， 周克棟， 赫 雷， 金永喜， 崔海林， 王浩圣， 李兵倉

(1. 南京理工大學 機械工程學院，南京 210094；2. 中國兵器第二0八研究所，北京 102202；3. 第三軍醫大學 大坪醫院野戰外科研究所，重慶 400042)

非侵徹條件下豬體和明膠靶內壓力衰減試驗研究

曾 鑫1， 周克棟1， 赫 雷1， 金永喜2， 崔海林2， 王浩圣2， 李兵倉3

(1. 南京理工大學 機械工程學院，南京 210094；2. 中國兵器第二0八研究所，北京 102202；3. 第三軍醫大學 大坪醫院野戰外科研究所，重慶 400042)

為研究某小口徑彈丸非侵徹條件下機體內的壓力傳遞，采用壓力動態采集系統，通過某小口徑彈丸以不同撞擊速度對長白豬和明膠靶標進行非侵徹防護射擊試驗，得到了靶內不同位置處的壓力值。試驗結果表明：彈丸速度越大，靶內產生的壓力峰值越高，且壓力峰值隨距撞擊點距離呈指數衰減；長白豬體內的壓力衰減速度大于明膠靶標中的壓力衰減速度；皮膚的吸能能力與撞擊速度有很大的關系。該試驗結果對傷員的救治、建立損傷標準及槍彈設計改型具有重要意義。

防護；壓力衰減；非侵徹；明膠靶標；長白豬；試驗研究

現代戰爭和反恐中，人體因為子彈的穿通傷會造成重要臟器的損傷或是大出血，導致作戰人員即刻死亡或是完全喪失作戰能力，使用防彈衣及防彈頭盔后，穿透傷而傷亡的人員數得到有效的減小，但會因防彈衣瞬間變形而高速撞擊人體，產生能量傳遞而造成胸腹部器官鈍性損傷，因高速撞擊所產生的壓力波也會對遠離撞擊點人體組織造成損傷[1-6]，由于此類創傷機理非常復雜，很難清晰闡述此類創傷的力學機制，救治中也很難處理，因此有必要對相應的人體壓力響應特點進行試驗探討。近年來，國內外學者對創傷領域的試驗研究主要借助于動物或明膠靶標等來進行試驗[1,7-10]，由于豬的胸腔內容物在生理和解剖上較接近于人，因此國內外學者在防彈衣鈍挫傷實驗研究中通常以豬作為人體的替代靶標[11-14]。本文以某小口徑彈丸侵徹長白豬和明膠靶標時，距離撞擊點不同距離位置處的最大壓強為研究對象進行試驗研究，探討高速彈丸對有防護下機體內的壓力響應和能否以明膠靶標作為生物的替代物進行壓力響應試驗，為進一步研究受高速撞擊時防護后的機體損傷機理的研究提供試驗支撐。

1 試驗方法

壓力試驗原理如圖1所示，主要由發射系統、光電測速靶、靶標系統和測壓系統組成，發射系統主要包括某小口徑彈道槍和槍彈，通過調節槍彈裝藥量來控制彈丸撞擊防護材料的速度；觸發器用來觸發測速靶和測壓系統進行數據采集，光電測速系統記錄彈丸撞擊靶標系統前的速度；靶標系統用來模擬穿著防彈衣的人體，靶標系統主要分為長白豬(麻醉狀態下)+防護材料和明膠靶標+防護材料，防護材料均為NIJ Ⅲ級防彈插板+警用Ⅱ級防彈材料，將防護材料和靶標連接，然后把整個靶標系統置于試驗臺上，如圖2所示；測壓系統由PCB113B24壓電式壓力傳感器(測量量程為5 MPa,測量精度為0.5級)、數據連接線和PXI-6133數據采集系統(最高采樣率是2.5 MS/S,14BIT分辨率)組成，傳感器在靶標內的埋置如圖2所示，利用靶標內不同位置處的壓力傳感器記錄不同位置處的壓力值。

本文試驗分為生物試驗和非生物試驗，生物試驗中所用靶標為健康長白豬(麻醉狀態下)，體重60±5 kg，長白豬體內埋置4個壓力傳感器，傳感器埋置于皮下、心、肺、肝臟等易受損臟器位置，4個傳感器距撞擊點距離分別為80 mm、100 mm、120 mm、160 mm，射擊點為脊柱；非生物試驗中所用靶標為10%濃度的明膠靶標，規格為300 mm×300 mm×300 mm，明膠內埋置5個壓力傳感器，傳感器埋置狀態如圖2(b)所示，每個傳感器水平方向上相距50 mm，射擊點為靶標中心。

圖1 壓力試驗原理示意圖Fig．1Theschematicdiagramofpressuretest圖2 靶標系統Fig．2Thetargetsystem

2 試驗結果

所有試驗在室溫下進行，保證彈丸為垂直撞擊或接近垂直撞擊，彈丸撞擊前姿態由高速攝影系統觀測并記錄。試驗發現：在沖擊波反射之前，邊界對壓力波傳遞的影響可以忽略，可以假定壓力波在靶標內的傳遞為球形波傳遞，每個傳感器到撞擊點的距離就假定為它們兩點之間的直線距離。預定撞擊速度為600 m/s、750 m/s、900 m/s，撞擊速度由彈丸裝藥量控制，并由光電測速系統檢測并記錄。

非侵徹條件下明膠靶標的損傷情況主要表現在材料的屈服變形和失效，無明顯的損傷現象，而肌肉的損傷伴隨著出血等較明顯的現象，故本文中只給出長白豬易受損部位的損傷情況，如圖3所示。

圖3 長白豬易受損部位損傷圖Fig.3 The wounding diagram of the vulnerable parts of Landrace

由圖3可以發現：① 彈丸沒有貫穿防彈材料；② 距撞擊點較近的皮膚有明顯的出血現象，而距撞擊點稍遠處的肺部，只有少許的點片狀出血。

試驗結果可以發現，明膠靶標試驗結果重復性較好，這是因為明膠靶標熬制過程相同、濃度相同，故明膠靶標材料屬性基本相同，而且傳感器的埋置簡單、精確；生物體是個很復雜的機體，即使是同一批次的健康長白豬、個體差異不大，但不同個體之間的“材料”屬性差異較大，而且生物體內的傳感器埋置復雜、固定較難，導致傳感器測量不準甚至未觸發，這樣就需要進行多次試驗。如果兩次試驗結果相近則完成該組試驗，若兩次試驗結果差異較大，則再進行重復試驗，每組試驗取兩次相近的試驗結果，如表1和表2所示。表中V1表示預定速度，V2表示實際速度，E表示彈丸的動能。

表1 長白豬試驗壓力峰值結果

表2 明膠靶標試驗壓力峰值結果

由表1和表2發現：不同速度的彈丸侵徹長白豬或明膠靶標試驗得到的距撞擊點80 mm處的壓力峰值相差較大：撞擊速度為600 m/s時，壓力相差400%，撞擊速度為750 m/s時，壓力相差200%，而當撞擊速度達到900 m/s時，壓力峰值近似相同。 分析發現：長白豬實驗和明膠靶標試驗中，造成距撞擊點80 mm處的壓力峰值有較大差異最主要的原因是長白豬肌肉外有一層皮膚，壓力波在肌肉中傳遞之前必須先經過皮膚中的傳遞，此過程使壓力峰值得到衰減。由表1及表2可知：彈丸的撞擊速度較低時，彈丸傳遞給靶標的總能量相對較少，皮膚對壓力傳遞的損失所占總能量的比例就越高；彈丸的撞擊速度很高時(900 m/s)，彈丸傳遞給靶標的總能量相對較高，皮膚對壓力傳遞的損失所占總能量的比例就越低。而這種現象在明膠靶標試驗中是體現不出來的。

對長白豬試驗及明膠靶標試驗所測得的壓力峰值數據進行曲線擬合，分析發現當用指數曲線模型P=a×eb×L進行擬合時，擬合曲線精度最高，各組實驗結果的擬合參數如表3所示。

由表3可知，六次長白豬試驗結果的擬合曲線的最小相關系數R2為0.962，查詢相關系數與置信度關系的檢驗表[15]可知：擬合曲線的置信度為95%，長白豬試驗結果的擬合曲線如圖4所示；六次明膠靶標試驗結果的擬合曲線的最小相關系數R2為0.981，查表可知擬合曲線的置信度為99%，明膠靶標試驗結果的擬合曲線如圖5所示。

表3 曲線擬合參數

圖4 長白豬試驗壓力峰值擬合曲線圖Fig.4 The peak pressure fitting curve in Landrace test(注：圖中Exp表示實驗值，Fit表示擬合曲線，且圖5、圖6中也一樣)

圖5 明膠靶標試驗壓力峰值擬合曲線圖Fig.5 The peak pressure fitting curve in gelatin target test

由表1和表2可知，某小口徑彈丸侵徹同一靶標(長白豬或明膠靶標)，當撞擊速度相近時：① 距撞擊點相同距離處的壓力峰值基本相同；② 由圖4和圖5可以看出，不同位置處的壓力峰值擬合曲線吻合較好，這說明本文中的試驗重復性較好，測試結果的可靠性高。

由圖4和圖5不難看出，距離撞擊點相同位置處，撞擊速度越高，壓力峰值越大；撞擊速度相同時，距離撞擊點越遠，壓力峰值越小。

彈丸以相同速度撞擊不同靶標系統，距撞擊點不同距離處的壓力峰值如圖6所示，圖6(a)、(b)、(c)分別表示預定撞擊速度為600 m/s、750 m/s和900 m/s時，距撞擊點不同距離處的壓力峰值擬合曲線。由圖中可以發現，1#、2#試驗壓力峰值衰減大于7#、8#試驗，3#、4#試驗壓力峰值衰減大于9#、10#試驗，5#、6#試驗壓力峰值衰減大于11#、12#試驗；由于長白豬試驗壓力峰值衰減較快，距撞擊點距離160 mm處，1#—6#試驗的壓力峰值都趨向于零，而對應的明膠靶標試驗中對應位置處還有較高的壓力峰值，造成此現象的主要原因是長白豬有皮膚、臟器、神經纖維、血管、骨頭等，這些組織都會對壓力波的傳遞產生影響，故長白豬試驗中，壓力峰值傳遞衰減率是隨距離、時間而發生變化的，而壓力峰值在明膠靶標內的傳遞相對來說較穩定。

由上面的分析可以看出：文中描述的壓力測試實驗中，彈丸侵徹明膠靶標時所測得的壓力值，不能直接用來評估相同彈丸侵徹生物靶標時所造成的創傷。

圖6 相同撞擊速度下靶內壓力峰值擬合曲線Fig.6 The peak pressure fitting curve under same impact velocity

3 結 論

采用彈道槍發射裝置及動態信號采集系統對非侵徹防護下目標內的壓力進行了試驗研究，得到如下結論：

(1) 試驗結果良好的一致性表明本文中試驗結果的可靠性，結果數據可以用來指導傷員的救治和損傷機理的研究。

(2) 有防護、非侵徹撞擊下，長白豬、明膠靶標內的壓力峰值隨距撞擊點距離的增加呈指數關系衰減，壓力峰值在長白豬體內的衰減速率明顯大于在明膠靶標內的衰減速率。

(3) 針對相同靶標系統，彈丸速度越大，所產生的壓力峰值越大。

(4) 皮膚吸收能量的能力，與撞擊速度有很大的關系，撞擊速度越低，皮膚對壓力傳遞的損失率就越高。

(5) 本文所描述的壓力測試實驗，彈丸侵徹明膠靶標時所測得的壓力值，不能直接用來評估相同彈丸侵徹生物靶標時所造成的創傷。

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Test for pressure attenuation in targets of Landrace and gelatin under non-penetration condition

ZENG Xin1, ZHOU Ke-dong1, HE Lei1, JIN Yong-xi2, CUI Hai-lin2, WANG Hao-sheng2, LI Bing-cang3

(1. School of Mechanical Engineering, NUST, Nanjing 210094, China;2. No.208 Research Institute of China Ordnance Industries, Beijing 102202, China;3. Institute of Surgery Research, Daping Hospital, Third Military Medical University, Chongqing 400042, China)

To investigate the internal pressure transmission in human-body caused by small caliber projectiles under condition of non-penetration, the non-penetration firing tests with small caliber projectiles were conducted with different impact velocities and different protected targets of Landrace and gelatin to measure the pressure value in the targets at different locations using a dynamic pressure acquisition system. The results showed that the larger the velocity of projectiles, the higher the pressure; the peak pressure decays exponentially with the distance between an impact point and a measured position; the pressure attenuation speed in Landrace target is greater than that in a gelatin target; the energy absorption ability of skin is greatly related to impact velocity. The test results were significant for wound treatment, injury standard establishment, and bullet design modification.

protection; pressure decay; non-penetration; gelatin target; Landrace; experimental study

2013-04-16 修改稿收到日期：2013-08-01

曾鑫 男，博士，1986年2月生

周克棟 男，教授，博士生導師，1964年5月生

TJ012.4

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.08.017