步槍彈高速沖擊下防彈頭盔功能梯度泡沫內襯的防護性能

鄭秋杰，郭迎福，蔡志華，張磊

(1.湖南科技大學 機電工程學院，湖南 湘潭 411201；2.軍事科學院 國防工程研究院 工程防護研究所，河南 洛陽 471023)

0 引言

泡沫內襯由于其良好的能量吸收性能，被廣泛應用于防彈頭盔中。Tan等[1]用11.9 g球形鋼質彈丸對帶網內部緩沖結構與帶航空泡沫內襯的兩款先進戰斗頭盔(ACH)進行了正面(速度205 m/s)與側面(速度220 m/s)沖擊。結果表明：對于彈道沖擊，使用泡沫有助于減少正面沖擊力，相比帶網內部緩沖結構提供了更好的防護，較軟且剛度較低的泡沫減震效果更顯著。蔡志華等[2]進行了有無泡沫內襯的ACH防彈頭盔的槍彈沖擊數值模擬，研究發現泡沫內襯防護下的顱內壓力峰值較無泡沫降低20.6%.Salimi等[3]對不同密度的發泡聚丙烯泡沫(EPP)與聚苯乙烯泡沫(EPS)頭盔內襯防護性能進行了研究，發現受沖擊時低密度的EPP產生更大的體積壓縮量及厚度變化量，吸收了更多的能量。Li等[4]研究了泡沫襯墊的硬度對頭部損傷風險的影響，發現較軟的泡沫襯墊可以提供更好的防護，但與此同時泡沫襯墊也不能過軟。除了對不同泡沫材料[5-9]的力學性能分析外，學者們還從泡沫結構的吸能性能角度進行了探究。Maheo等[10]將EPP泡沫設計成密度為94.0 kg/m3的均質泡沫、3種平均密度為86.7 kg/m3的梯度泡沫，并進行了靜態、動態與介觀、微觀相結合的力學性能研究，結果表明具有多層梯度結構的泡沫，層與層之間的密度差過大會影響沖擊能量的吸收性能。相對于整體泡沫，凸密度梯度離散層狀結構泡沫提高了能量吸收性能和承載性能，同時降低了結構整體質量[11]。Zhang等[12]數值模擬了功能梯度泡沫材料(FGFM)在球體中、高速撞擊下的能量吸收情況。此外，功能梯度泡沫還可通過調整分層比例來優化分級結構，以獲得期望的力學性能[13]。

綜上所述，已有研究主要集中于梯度泡沫力學性能的分析，鮮有與人體顱腦相結合的研究。本文采用高速沖擊試驗與仿真方法，利用頭部損傷評判標準比較均質和功能梯度泡沫的防護能力，探索具有最佳防護性能的泡沫梯度。通過對不同密度的泡沫進行壓縮試驗，獲得其力學性能，為數值模擬提供相應曲線及參數；進而進行槍彈高速沖擊試驗，獲取顱腦模型的力學響應，通過數值模擬分析泡沫的能量情況，研究功能梯度泡沫在不同密度梯度下的防護性能。

1 試驗方法

1.1 泡沫壓縮試驗

對不同密度的EPP進行壓縮，獲取數值模擬所需要的力學性能參數。所用泡沫的密度分別為30 kg/m3、45 kg/m3和60 kg/m3，以下將對應密度的泡沫分別簡稱為EPP30、EPP45和EPP60.根據美國材料與試驗協會發布的硬質泡沫塑料壓縮性能試驗標準ASTM D1621-16，確定泡沫試件尺寸為60 mm×60 mm×60 mm.試驗主要設備為上海華龍測試儀器有限公司生產的WDW-100C萬能材料試驗機(見圖1(a))，通過準靜態壓縮獲得泡沫的材料性能，泡沫壓縮速率設置為24 mm/min，壓縮速率對應的應變率為0.01 s-1.壓縮過程如圖1(b)、圖1(c)、圖1(d))所示，泡沫始終置于兩塊平行的圓形夾板之間。

圖1 試驗設備及泡沫壓縮過程

1.2 高速沖擊試驗

試驗所用假人頭部模型(見圖2(a))，分別選取自體結膜纖維聚氨酯彈性組織、熱固性樹脂和明膠作為頭部皮膚、顱骨及腦組織的模擬材料進行構建。加速度傳感器緊密安裝于顱骨的前方、側方、后方，如圖2(b)中的A、B、C；顱內灌入一定量的明膠后，將壓力傳感器布置于顱內明膠同一水平面的前、中、后部，如圖2(c)中的D、E、F；最后顱內灌滿明膠。防彈板采用新型增強作戰頭盔(ECH)所用的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)[14]材料制成，厚度為20 mm，以避免頭部模型遭受貫穿性損傷，便于觀察泡沫與頭顱的動力學響應。梯度泡沫作為內襯置于防彈板與頭部模型中間，防彈板、梯度泡沫與頭部模型依次排布組合成靶標。頭部模型后方由彈道肥皂固定，以增加靶標受到槍擊時的穩定性，如圖2(d)所示。槍彈為金屬被甲彈，直徑為5.56 mm，彈芯材料為鉛，外殼為銅，沖擊速度為970 m/s.

圖2 頭部模型、靶標及傳感器布置

多層泡沫由EPP30、EPP45和EPP60組合而成，如圖3所示：泡沫的第1層為沖擊層，也是槍彈沖擊產生能量最先作用的一層；第2層為中間層，能量在此層進行過渡與傳遞；第3層為支撐層，直接與頭部接觸。每層泡沫厚度h均為10 mm，邊長L為100 mm，單層泡沫尺寸為100 mm×100 mm×100 mm.多層泡沫的梯度設計如表1所示，共有均質30(H30)、均質45(H45)、均質60(H60)、正密度梯度(POS)、負密度梯度(NEG)、凸密度梯度(CVX)和凹密度梯度(CVE)7種組合。

圖3 多層泡沫

表1 泡沫梯度組合的密度

沖擊試驗布置[15-16]如圖4所示，槍彈采用彈道槍固定架發射，速度由裝藥量進行控制。在距離槍口5 m處放置破片測速儀對槍彈速度進行測量，距離槍口6 m處放置可移動升降臺，顱腦模型置于升降臺上，且用膠帶將其與升降臺上的肥皂固定。升降臺一側放置補光燈與高速攝影設備，以便對響應過程進行記錄。多通道動態信號采集分析系統將傳感器與顱腦聯接，并負責力學響應信號的采集。

圖4 槍彈沖擊試驗示意圖

2 試驗結果

2.1 壓縮試驗結果

EPP30、EPP45和EPP60對應的彈性模量分別為2.56 MPa、2.91 MPa、4.16 MPa.在應變為25%下，各密度的壓縮強度都處在一個較低水平；當應變為50%時，各密度泡沫的壓縮強度分別為前者的1.55倍、1.35倍、1.43倍；當應變達到75%時，壓縮強度有較強提升，約為25%應變的3倍，50%應變的2倍，具體數值由表2給出。隨著密度增大，泡沫材料的彈性模量隨之增大，同時各應變所對應的壓縮強度也隨之增大。應力-應變曲線如圖5所示。由圖5可見，泡沫變形達到60%后，壓縮強度隨應變不斷增大，呈指數上升。

表2 不同密度EPP的力學性能

圖5 不同密度EPP的應力-應變曲線

2.2 高速沖擊試驗結果

在槍彈以高速970 m/s沖擊下，假人顱腦的加速度和壓力在7種不同梯度組合的多層EPP泡沫防護下表現出較大差異。與圖2(b)、圖2(c)中A、B、C、D、E、F6個位置分別對應的試驗數據如圖6(a)～圖6(f)所示。由圖6(a)～圖6(f)可見：中間加速度最大峰值、后方加速度最大谷值、前部壓力最大峰值、中部壓力最大谷值、后部壓力最大谷值均出現于同一時刻，前方加速度最大谷值出現時間比前述時刻晚0.194 s；除前方加速度外，其他曲線均在0.010 s內降低波動幅度并趨于平穩；試驗中假人顱腦后方用肥皂進行固定，肥皂對顱腦產生反作用力，前方加速度于0.6～0.8 s內再次出現較大峰值。實際作戰中，人體顱腦與頭盔作為整體處于無約束狀態，為了更好地反映實際情況，取正對沖擊方向的最大峰值進行分析與討論。

圖6(g)、圖6(h)為不同密度梯度防護下頭部的前、側、后方加速度峰值以及前、中、后部壓力峰值。通常情況下，前方加速度與前方壓力的值最大。H60的前方加速度最大值為1 995.32g，是H45的1.70倍、H30的5.56倍。梯度結構相較均質結構，加速度在整體上有大幅度下降。在平均密度為45 kg/m3的條件下，POS、NEG的前方加速度最大值與最大壓力分別約為H45的1/3與1/2.CVX、NEG和H30皆表現出較強的綜合性能，反之表現最差的為H60.

廣泛使用的頭部損傷標準(HIC)要求峰值作用時間不低于3 ms，考慮到試驗中加速度峰值作用時間較短，此處采用美國聯邦汽車安全標準218條[1](FMVSS 218)中提出的加速度峰值不超過400g的安全標準進行對比分析。如圖6(i)所示，H45、H60遠超安全值，對頭部會造成不可逆轉的傷害。采用梯度結構后能夠明顯降低頭部加速度值，即使在970 m/s高速槍彈沖擊下，NEG、CVX仍能對頭部起到較好的防護作用。

圖6 槍彈沖擊試驗結果

綜上所述：對于加速度與壓力的峰值，均質泡沫對頭部的防護能力與泡沫本身密度呈負相關的關系；平均密度一定時，NEG優于POS、POS優于均質泡沫；CVX表現出較強防護性能的同時，降低了泡沫結構的整體質量。

3 數值模擬

3.1 模型及參數

UHMWPE防彈板模型采用8節點6面體實體單元進行映射劃分，為減少計算時間，同時保證計算精度，對模型進行局部加密。加密區域為以子彈沖擊點為幾何中心的17.4 mm×96.0 mm矩形，如圖7(a)中的黃色框內區域，將其劃分成內圈(紅色框內區域)和外圈(紅色框外區域)并進行不同程度的加密。內圈網格大小為1.5 mm×2.0 mm×1.0 mm，水平截面面積為55.0 mm×135.0 mm，外圈網格大小為1.6 mm×2.2 mm×1.0 mm.防彈板網格數共245 440個。對應的復合材料模型為LS-DYNA中的22號材料*MAT_COMPOSITE_DAMAGE，材料參數如表3所示，其中各項參數具體含義參考文獻[17]。

表3 防彈板模型參數[17-18]

圖7 有限元模型

表4 彈頭模型參數[17,19]

人體顱腦使用已建立并通過國外尸體試驗驗證的有限元模型。模型在沖擊器的沖擊仿真中得到的顱骨接觸力和顱內壓力變化，與Nahum等的試驗結果基本一致[20]。Alley等[21]做了相關試驗，通過測量爆炸產生的超壓，表明在沖擊波載荷下明膠反映出的力學響應可近似代替腦組織。頭部模型如圖7(b)所示。泡沫模型采用6面體實體單元進行網格劃分，網格大小為1.5 mm×2.0 mm×1.0 mm，橫截面積為100 mm×100 mm，泡沫整體共30層，網格總數為300 000個。LS-DYNA軟件提供了多種聚合物泡沫材料的計算模型，57號材料*MAT_LOW_ DENSITY_FOAM對于低密度高壓縮性的泡沫材料具有較好的模擬效果。模型中的材料密度、彈性模量、名義應力-應變曲線等由壓縮試驗數據給出(見圖5和表2)，泡沫模型緊貼于防彈板背面。

3.2 模型驗證

仿真動畫與試驗過程的動態對比如表5所示：將槍彈與防彈板接觸瞬間設定為初始時刻；0.15 ms時，槍彈完全進入防彈板，防彈板的入射點周圍產生變形；0.30 ms時，沖擊波傳遞到泡沫，泡沫鼓起并擠壓頭部；0.40 ms時，在防彈板背面變形與沖擊波的共同作用下，泡沫與防彈板接觸處出現撕裂。

表5 仿真與試驗中防彈板與泡沫演變對比

仿真與試驗的加速度與壓力曲線如圖8所示。在本試驗中，曲線出現峰值的時間稍晚于Gilson等[15]所做的沒有泡沫防護的試驗。能量經過防彈板與多層泡沫后傳遞到頭部，相較其他無泡沫試驗，能量在多層泡沫中進行傳遞與耗散，故認為頭部加速度與壓力出現峰值的時間會相應推遲是合理的。不管是加速度還是壓力，仿真的結果相較試驗都偏低，這個偏低的結果與Wen等[22]所得結果相似。試驗壓力峰值為77.66 kPa，仿真壓力峰值為58.24 kPa，誤差為25.0%，試驗加速度峰值為191.48g，仿真峰值為148.16g，誤差為22.6%.仿真與試驗在宏觀層面上出現了相似的現象，加速度與壓力曲線有相近的趨勢。考慮到仿真結果與試驗結果固然存在誤差，同時仿真所用頭部模型中顱腦內的結構與組織相較試驗所用假人頭部模型更為復雜，能量在顱腦中的耗散要比試驗多，故認為仿真所得加速度與壓力峰值比試驗結果偏低是合理的。

圖8 槍彈沖擊仿真與試驗結果對比

3.3 能量吸收

各層泡沫的能量吸收曲線如圖9(a)所示，與Tan等[1]觀測到的單層泡沫連續遞增吸能現象有所不同。在多層泡沫中，能量最先傳遞到沖擊層，沖擊層對部分能量進行吸收，隨之產生能量傳遞與耗散，能量有小幅度下降。同樣的現象也發生在中間層泡沫，能量在各層泡沫間的傳遞過程中存在耗散。3層泡沫中吸收能量最多的是支撐層，占據總能量的62.33%.試驗結果中，加速度最小的3組梯度，支撐層均為最小密度30 kg/m3.因此在工程應用中應著重考慮支撐層密度設計。

圖9 梯度泡沫的吸收能量

在受到沖擊波作用時，泡沫的能量吸收值在較短時間內呈指數上升而后趨于平穩(見圖9(b))。由圖9(b)可見：梯度泡沫與均質泡沫的能量吸收過程大致相同，能量吸收總量存在較大差異。沖擊試驗中加速度與壓力最小的凸密度梯度CVX吸收能量最多，為101.85 J；加速度與壓力最大的H60吸收能量最少，為40.65 J；POS、NEG吸收能量較H45分別提高2.82%和43.65%；H30、H45、H60吸收能量分別為79.64 J、59.30 J、40.65 J，平均密度每增加15 kg/m3，吸收總能量下降20 J左右，存在負線性相關的關系；CVX在整體質量降低的條件下，吸收能量分別較POS、NEG、CVE提高了67.05%、19.57%、71.49%.由此可見，與試驗結果對比，泡沫整體吸收能量值越高，顱骨加速度值與顱內壓越小，即防護性能越好。

4 結論

本文對不同密度EPP泡沫進行了壓縮試驗，獲得EPP30、EPP45、EPP60的應力-應變曲線及相應的力學性能參數。將總厚度為30 mm的3層泡沫分別設計為H30、H45、H60、POS、NEG、CVX和CVE共7種組合。通過仿生材料建立了人體顱腦模型，并在頭部模型中合適的位置安裝加速度和壓力傳感器，合理布置破片測速儀、高速攝像機和數據采集系統，并完成槍彈高速沖擊試驗。建立防彈板、泡沫以及槍彈模型并采用六面體進行網格劃分，泡沫的材料參數源自前述壓縮試驗，再結合已有頭部模型進行槍彈高速沖擊數值模擬。得出主要結論如下：

1)多層泡沫在能量傳遞的過程中，層與層之間存在能量耗散，且支撐層吸能最多。

2)對于均質泡沫而言，密度與能量吸收呈負線性相關，平均密度每增加15 kg/m3，吸收總能量減少20 J.

3)在平均密度相同的條件下，梯度泡沫吸能性能優于均質泡沫，且NEG優于POS.

4)CVX較其他密度梯度至少提高了19.57%的能量吸收性能，同時降低了整體結構的質量。