子彈正面射擊防彈頭盔的非貫穿變形分析*

錢俊宏，羊 毅，朱平平

（西華大學 機械工程學院，四川 成都 610039）

子彈正面射擊防彈頭盔的非貫穿變形分析*

錢俊宏，羊 毅，朱平平

（西華大學 機械工程學院，四川 成都 610039）

子彈對頭盔非貫穿性射擊的變形會使頭盔內表面與人體頭部接觸，而這種接觸將會對人體頭部造成傷害。為了研究這種非貫穿性損傷，將防彈頭盔材料模型視為理想塑性的Johnson Cook材料模型，頭盔表面曲線按照國家標準GA293-2012《警用防彈頭盔及面罩》精確繪制。將子彈設置為剛性，子彈采用54式手槍7.62mm手槍彈，以450m/s的速度射擊防彈頭盔。仿真基于ABAQUS/Explicit分析模塊進行，采用ABAQUS顯示非線性動態(tài)分析，對頭盔和子彈應用Abaqus自適應網格技術。結果顯示，射擊點離頭盔頂部越遠，頭盔變形越大，對人體頭部可能造成的傷害越大。

防彈頭盔；表面曲線；防彈性能

防彈頭盔是單兵防護裝備的重要組成部分。統(tǒng)計表明，裝備防彈頭盔能有效的降低士兵的傷亡率[1]。子彈射擊頭盔后，會出現頭盔被子彈射穿和頭盔未被子彈射穿兩種情況。子彈射穿頭盔后，將會對人體造成直接的致命傷害。頭盔未被子彈射穿，并不意味著人不會受傷，高速入射的子彈具有很強的能量，這些能量沖擊頭盔將會對頭盔造成很大的變形。頭盔的應變會對人體頭部造成不同程度的損傷，嚴重時則會危及生命。

子彈在未穿透防彈頭盔的情況下，子彈的沖擊會經頭盔的位移、變形等方式傳遞到人體頭部或頸部，對人體重要組織和器官造成傷害的現象稱為非貫穿性損傷效應，又稱裝甲防護后效應（Behind Armor Ballistic Trauma，BABT）。非貫穿性損傷效應問題是近幾年來歐美各軍事裝備管理部門、研究機構、測試單位和生產商的研究熱點和關注焦點。他們主要著力研究BABT對人體的致傷機理、BABT對人體的致傷形式和BABT與防彈裝備結構與性能的關系。國外相關研究部門也針對如何評價及測試防彈裝備對彈道侵徹所致非貫穿性損傷的防護效果等進行課題研究[2]。對于子彈射擊防彈頭盔后防彈頭盔在非貫穿狀態(tài)下受力傳遞狀態(tài)測試和人員頭頸部損傷的評估方面，目前國際上還沒有明確的方法和標準，而國內這方面的研究工作也未見有相關報道[3]。

1 建立模型

1.1 三維模型的建立

目前，我國軍隊裝備的頭盔主要有GK80型鋼盔和QGF02型非金屬（凱夫拉）頭盔。上世紀七十年代，已成功研制出第一代GK80型防彈頭盔，上世紀八十年代初，正式將GK80型鋼盔裝備于部隊使用。1994年成功研制出QGF型非金屬（凱夫拉）頭盔，該頭盔的抗彈能力比GK80鋼盔提高了38.4％，有效防護面積達1266mm2，比GK80鋼盔提高16％。本研究以QGF02型凱夫拉（Kevlar）頭盔為研究對象。

QGF02型凱夫拉（Kevlar）頭盔由外殼、襯里和懸掛件三部分組成。頭盔模型的建立在三維數字化設計軟件Creo中進行，頭盔表面曲線參照國家標準GA293-2012《警用防彈頭盔及面罩》繪制，表面曲線見圖1。本論文研究重點在于子彈對頭盔射擊的有限元分析，為了簡化分析模型，提高分析速度，對于頭盔的外盔進行了簡化處理，不考慮內襯和系帶對分析結果的影響[4]，防彈頭盔模型見圖2。子彈采用54式手槍7.62mm手槍彈，以450m/s的速度射擊防彈頭盔，子彈簡化模型見圖3[5]。子彈射擊頭盔仿真如圖4所示。

圖1 頭盔表面曲線

圖2 QGF02頭盔模型

圖3 子彈模型

圖4 abaqus中子彈射擊頭盔

1.2 材料參數的確定

本文所研究的防彈頭盔材料為凱夫拉（kevlar）材料，本文研究重點在于防彈頭盔表面曲線對防彈性能的影響。為簡化分析，防彈頭盔和子彈材料視為理想塑性的Johnson Cook材料模型，其主要物理屬性見表1[6]。

表1 Johnson Cook材料模型

2 有限單元法理論分析

2.1 ABAQUS顯示非線性動態(tài)分析

ABAQUS/Explicit分析模塊采用直接解法來求解動態(tài)問題，非線性動態(tài)問題的求解主要是利用數學的迭代法來計算，采用顯示直接積分算法。在子彈的運動過程中，運動方程的時間積分應用中心差分方法求解，其主要的求解過程為：應用子彈運動的上一個增量步的動力學條件計算下一個增量步的動力學條件。顯式動力學有限元基本方程為[7]：

在子彈開始射擊頭盔到子彈離開頭盔這段時域內，運用中心差分法，子彈的速度和加速度的表達方式如下：

其中Δt為時間步長，通過聯(lián)立(1)-(3)式，可得遞推公式如下：

將含有u(t)的項移到等式右側，則(4)式轉化為：

計算時間步長的確定：

顯示算法中，常常是利用中心差分法計算時間步長，中心差分法需要穩(wěn)定的條件才能準確地求解。在求解時，所計算的時間步長必須小于求解方程所決定的某個臨界值Δtmin，否則中心差分法將無法進行穩(wěn)定的運算。臨界時間步長通過Courant－Friedrichs－Levy準則進行計算[8]：

其中，Wmax表示系統(tǒng)的最大固有頻率，L表示單元特征長度，C表示子彈的聲速，子彈的聲速C與子彈材料的性質有關，對于三維單元，材料中的聲速為：

其中，L表示泊松比，E表示楊氏模量，ρ表示材料密度。

2.2 網格劃分

由于材料是不可壓縮的，在彈塑性分析中如果使用二次完全積分單元（C3D20）很容易產生體積自鎖。在網格劃分時，如果將頭盔材料定義為二次減縮積分單元（C3D20R），當材料應變大于20％～40％時，則需要將防彈頭盔劃分足夠細的網格才不會產生體積自鎖。因此，頭盔的網格劃分選擇線性減縮積分單元（C3D8R）。對于三維區(qū)域，頭盔模型中存在接觸和大的扭曲變形，采用結構化網格劃分技術，得到六面體HEX單元網格，減小計算代價，同時也能提高計算精度。由于模型中存在大變形問題，頭盔表面的幾何形狀會發(fā)生很大的變化，所劃分的網格也會產生嚴重的扭曲變形。這會導致計算精度下降，穩(wěn)定步長縮短，甚至無法達到收斂，無法求解出頭盔的應力和應變結果。因此，使用自適應網格方法ALE（Arbitrary Lagrange-Euler）對頭盔進行網格劃分。Abaqus的自適應網格不會改變頭盔網格的拓撲結構，自適應網格方法ALE結合純拉格朗日分析（網格跟隨材料移動）和歐拉分析（網格位置固定，材料在網格中流動），被稱為“任意拉格朗日-歐拉（ALE）分析”。自適應網格方法ALE比純拉格朗日分析方法和單用歐拉分析方法分析更高效、更精確和更穩(wěn)定。因此本研究中對頭盔和子彈應用Abaqus的自適應網格。

3 結果及討論

研究子彈射擊與頭盔厚度一致的kevlar平板和子彈正面射擊凱夫拉防彈頭盔，射擊點分別落在距頭盔頂10mm、20mm、30mm、40mm和50mm處。被射擊點的時間-位移曲線分別見圖5、圖6、圖7、圖8、圖9和圖10。

圖5 子彈射擊kevlar平板

圖6 子彈射擊點距頭盔頂10mm處

圖7 子彈射擊點距頭盔頂20mm處

圖8 子彈射擊點距頭盔頂30mm處

圖9 子彈射擊點距頭盔頂40mm處

圖10 子彈射擊點距頭盔頂50mm處

從圖中可得出子彈射擊QGF02頭盔不同點的最大位移，見表2。

表2 不同射擊點最大位移 （mm）

（1）本研究按照國家標準繪制頭盔曲線，并生成三維模型圖。將頭盔和子彈模型簡化，并將材料視為理想塑性的Johnson-Cook材料模型。結果表明該假設能較好地分析頭盔曲線對防彈性能的影響。

（2）從子彈射擊頭盔曲線上不同點的最大變形來看，離頭盔頂越遠，射擊點的最大變形越大。這說明子彈對頭盔的射擊點離頭盔頂部越遠，對人體頭部可能造成的傷害就越大。

（3）本研究防彈頭盔表面曲線對防彈性能的影響分析，能在提高頭盔防彈性能上提供一定的參考意義。

注釋及參考文獻：

[1]孫幸福．防彈頭盔研制技術及發(fā)展前景[J].中國個體防護裝備，2009，16(1):14-16．

[2]高曉清,黃獻聰,周宏,等.防彈頭盔防非貫穿性損傷性能測試技術研究[J].警察技術，2013，20(4):66-69．

[3]李焱,黃獻聰.防彈頭盔非貫穿性損傷評價研究進展[J].中國個體防護裝備，2008，5(1):17-19．

[4]Magnus Aare,Svein Kleiven．Evaluation of head response to ballistic helmet impacts using the finite element method[J]．International Journal of Impact Engineering，2007，47(34):596-608.

[5]T.B?rvik,S.Deya,A.H.Clausen．Perforation resistance of five different high-strength steel plates subjected to small-arms projectiles[J].International Journal of Impact Engineering ，2009，36(7):948-964．

[6]S.G.Kulkarni,X.-L.Gao,S.E.Horner,J.Q.Zheng,N.V.David.H．Ballistic helmets-Their design,materials,and performance against traumatic brain injury[J].Composite Structures，2013 ，101(02638223):313-331．

[7]M.A.G.Silva,C.Cisma-siu,C.G.Chiorean．Numerical simulation of ballistic impact on composite laminates[J].International Journal of Impact Engineering，2005，31(3):289-306．

[8]Chian-Fong Yen．A ballistic material model for continuous-fiber reinforced composites[J].International Journal of Impact Engineering ，2012，46(5):11-22.

Non-penetrating Deformation Analysis of the Bullet Shooting the Front of the Bulletproof Helmet

QIAN Jun-hong，YANG Yi，ZHU Ping-ping
(School of Mechanical Engineering,Xihua University,Chegndu,Sichuan 610039)

The deformation of the bullet non-penetrating the bulletproof helmet can cause a contact between the inside of the helmet and the head.This contact can cause injury to head.In order to study the non-penetrating phenomenon,the material of the bulletproof helmet is regarded as Johnson-Cook material model of ideal plasticity.The helmet surface curve is accurately drew by reference the national standard GA293-2012"bulletproof police helmet and mask".The bullet is set to a rigid,bullet use 54 type pistol 7.62mm bullet,with the speed of 450m/s shooting bulletproof helmet.The simulation analysis is based on ABAQUS/Explicit,using ABAQUS display nonlinear dynamic analysis,helmets and bullet on the application of Abaqus adaptive grid technique.The results show that shooting point further away from the top of a helmet,the more damage to head may be cause..

bulletproof helmet;surface curve;ballistic performance

TJ9；E939

A

1673-1891（2015）02-0045-03

2015-03-25

西華大學研究生創(chuàng)新基金（項目編號：ycjj2014051）。

錢俊宏(1987-)，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：仿真分析，機械傳動。