子彈沖擊防彈頭盔動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及防護(hù)性能仿真研究.pdf

1、近年來，新型單兵裝備與新型防彈頭盔的應(yīng)用減少了顱腦穿透的發(fā)生率及死亡率，但是高速高能子彈、爆炸碎片沖擊防彈頭盔產(chǎn)生的后鈍挫傷的問題越來越突出，并由此產(chǎn)生的顱腦損傷導(dǎo)致士兵作戰(zhàn)能力下降等問題也日益增多。因此，理解防護(hù)裝甲后鈍挫傷的致傷機(jī)理及加強(qiáng)對頭部損傷的防護(hù)是目前急需解決的重要科學(xué)與工程問題。但對于它的研究，由于倫理學(xué)限制無法利用活人來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只能通過尸體頭顱實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、假人實(shí)驗(yàn)及有限元仿真方法進(jìn)行研究，其中屬有限元仿真方法經(jīng)濟(jì)性

2、較好，可重復(fù)性較強(qiáng)。
　　本文基于防彈頭盔和某50百分位中國成人男性志愿者的CT以及MRI掃描數(shù)據(jù)，分別建立了防彈頭盔和具有詳細(xì)人體頭部解剖結(jié)構(gòu)的顱腦有限元模型。主要運(yùn)用ICEM和Hypermesh軟件對防彈頭盔和頭部幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中頭部模型描述了頭皮、硬骨組織、腦組織與軟組織四個(gè)部分。頭部模型共包含95997個(gè)節(jié)點(diǎn)，以及120818個(gè)六面體單元，模型總質(zhì)量約為4.2Kg，同時(shí)整個(gè)模型均采用共節(jié)點(diǎn)連接方式。而防彈頭盔有限

3、元模型包含美軍ACH中號頭盔和國產(chǎn)大號頭盔兩類，兩類模型分別含有329216個(gè)單元，392992個(gè)單元。顱腦有限元模型和防彈頭盔模型的材料屬性均采用已發(fā)表的國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料。
　　為了驗(yàn)證防彈頭盔和顱腦模型的有效性，本文基于B T.Long、C.Y.Tham正面/側(cè)面碰撞頭盔原型彈道測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對頭盔模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)還基于Nahum顱內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)、Yoganandan顱骨骨折實(shí)驗(yàn)及其頭部側(cè)面跌落等三種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對顱腦有限元模

4、型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明所建立的防彈頭盔模型和顱腦有限元模型穩(wěn)定性較好，可應(yīng)用于后續(xù)頭盔防護(hù)性能仿真研究。
　　最后運(yùn)用該防彈頭盔模型進(jìn)行子彈沖擊防彈頭盔動(dòng)力學(xué)響應(yīng)仿真，通過對比分析頭盔四個(gè)位置的背面變形量大小，從而對頭盔的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有意義的參考意見。接著基于Claude Sarron保護(hù)板下尸體頭骨實(shí)驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)運(yùn)用顱腦模型結(jié)合頭盔模型進(jìn)行頭盔防護(hù)性能仿真研究，通過對比分析有無泡沫情況下顱腦損傷生物力學(xué)參數(shù)以及頭部的H