非致命动能弹钝性冲击假人胸部的数值模拟
时间：2023-03-01 20:35:06 来源：千叶帆 本文已影响人
赵法栋,陈超明,暴洪涛,徐双超,庄弘炜
(武警工程大学 装备管理与保障学院,陕西 西安 710086)
非致命动能弹是一类依靠弹丸动能打击目标,使之致伤致痛从而达到驱散或制服目的的警用非致命弹种,因其研发成本低廉、作战效果迅速,在各国警宪部队得到了大量配备和广泛使用。但由于相关毁伤评估标准的缺乏,该类弹丸在实际应用中出现了目标骨裂、心肺挫伤、甚至死亡等情况[1],严重违背了设计和使用初衷,亟需一种合适的人体替代物来评估其损伤风险,以实现实战使用性和安全性的统一。
胸腔内含有人体重要的内脏器官,是实战中造成死亡最多的部位。对此,美国韦恩州立大学的BIR等[2-4]率先通过L5型棍弹钝性冲击尸体胸部实验,建立了非致命动能弹钝性冲击人体胸部的冲击力和位移响应区间,认为粘性指数最大值(Viscous Criterion Max,VCmax)可作为胸部肋骨或胸骨骨折、肺损伤等的风险评价指标。该研究结论被纳入到北约标准AEP99[5],为研发人体胸部替代物、评估胸部损伤风险提供了依据。
目前,国内主要采用模拟介质法和生物试验法开展非致命动能弹的损伤效应研究。如蒲利森等[6-8]采用松木板、质量分数10%的弹道明胶为替代物和瘦肉型猪、山羊为实验动物,对38 mm软体变形弹[6]、18.4 mm布袋弹[7]和10 mm布袋弹[8]开展了不同距离上的损伤测试。熊漫漫等[9]以长白猪为实验动物,研究了橡皮弹速度、硬度和口径等因素对生物损伤效应的影响。然而,松木板、明胶等模拟介质缺乏人体结构特征,生物实验又存在个体差异大、实验数量要求多等问题。因此,迫切需要一种兼具适用性和重复性、富含人体结构特征的替代物。
Hybrid III假人由于其物理质量、质心、转动惯量等物理参数、各部外形尺寸与成人基本一致,已被广泛应用于汽车安全领域,在非致命动能弹的损伤评估中有着极大的应用前景。对此,课题组前期开展了18.4 mm布袋弹和10 mm布袋弹钝性冲击HybridIII假人胸部的预先实验研究[10],证实了应用HybridIII假人开展定量损伤评估的可能性。然而,该实验并未与尸体实验进行对比,且尚未揭示非致命动能弹小质量高速冲击与汽车安全领域大质量低速冲击的差异。
随着有限元技术的飞速发展,数值模拟方法能够再现动态过程并提供更全面的数据,被广泛应用于枪弹终点效应[11,12]的研究与评判。因此,本文通过构建钝性冲击HybridIII假人的有限元模型,在与尸体实验对比验证的基础上,从冲击力、能量传递和应力传播等方面深入分析非致命动能弹与大质量冲击物钝性冲击过程和损伤伤情的差异,进而评估其胸部损伤风险,以期为非致命动能弹弹体结构改进优化和试验评估提供参考借鉴。
钝性冲击假人的有限元模型由冲击物和Hybrid III 50th姿假人两部分构成,如图1所示。
图1 钝性冲击有限元模型Fig.1 Finite element model for blunt impact
根据尸体实验工况[4],选择冲击物正向冲击假人胸部,冲击位置为假人第三根肋骨中央正对皮肤表面节点(如图1(d)所示)。冲击物与假人皮肤之间定义自动面面接触。由于假人胸部在受冲击后会发生较大变形,且冲击物物理尺寸较小,与假人网格尺度差异较大,因而采用拉格朗日算法以精确地追踪材料界面的变化,采用基于段的罚函数法计算接触刚度来消除接触间的互相穿透。同时,采用基于刚性的Type6型沙漏控制算法,以提高计算准确性。
1.1 冲击物有限元模型
文献[4]在尸体实验中采用的是直径为37 mm,质量分别为30 g和140 g的L5型棍弹。在假人校准规范中明确采用直径152.4 mm,质量为23.4 kg的摆锤作为胸部校准设备[13]。为达到与尸体实验进行对比验证,且与大质量低速钝性冲击相比较的目的,本文建立这三种冲击物(30gL5型棍弹、140gL5型棍弹和摆锤)的有限元模型。构建过程中,采用solid164单元构建其几何模型,并进行六面体网格划分,网格总数分别为24 000个、120 000个和384 000个。冲击物均选用弹性材料模型,材料参数如表1所示。同时,为克服冲击物接触面积对冲击过程的影响,在摆锤与30gL5型棍弹间建立固连面面接触,使两者作为一个整体的冲击物(如图1(c)所示)。
表1 冲击物材料参数Table 1 Material parameters for projectiles
1.2 Hybrid III假人有限元模型
Hybrid III 50th坐姿假人有限元模型由头、颈、上躯干、下躯干和四肢等部分构成,总质量79.605 kg,采用solid、shell、beam单元构建,网格尺寸3～5 mm,共计451 769个单元。该模型对假人各部位施加了完善的约束条件,且其躯干、四肢和腰部均可旋转一定的角度,以适应不同的碰撞工况。
由于该坐姿假人的上躯干有一定的倾斜角度,不符合尸体实验中的正向冲击条件,因此,将其上躯干绕腰部坐标系旋转8°,使其肋骨正对冲击方向。
1.3 数据处理
为减少数值计算误差对结果的影响,参照AEP99[5]和假人校准规范[13],对胸压位移D进行CFC1000滤波,对冲击力F和能量E进行CFC5400滤波。同时,文献[4]为消除人体尺寸的差异,按照胸深为236 mm[14],采用等应力等速度法对数据标准化处理。本文中的Hybrid III假人胸深为273 mm,故亦采用该方法,对胸部压缩量数据进行标准化,即:
(1)
式中:λ为比例因子;D0为假人胸深,mm;tnorm为校准后的时刻,ms;Dnorm为校准后的胸部压缩量,mm。
VCmax的计算为
(2)
式中:V′norm为校准后的胸部压缩速度,m/s。
2.1 与尸体实验结果的对比
为验证假人模型的有效性,设计与尸体实验同样的模拟工况,对比结果如表2所示,各工况下的假人胸部响应见图2。因尸体实验的胸部压缩量响应区间及相应VCmax都是通过弹体横向运动的高速摄影数据得到的,本文将相应工况下的弹体横向位移进行标准化,并依据式(2)计算出VCmax。
表2 与尸体实验对比的模拟工况及VCmaxTable 2 Impact case and VCmax comparing with PMHS
可以看出,三种工况下的Hybrid III假人胸部压缩量展现出偏向刚性的响应:在冲击前期,胸部压缩量贴近于上限,压缩速度较快;在冲击后期(工况1约在3.8 ms,工况2约在1.8 ms,工况3约在4.6 ms)逐渐偏离了位移下限。这是由于在尸体实验中的测试对象均为老年人(平均寿命73岁),随着年龄的增长,其生物结构特性的变化降低了胸部损伤的耐受性,因此其胸压位移基本呈上升趋势,而假人胸部材料为均匀分布,且弹性较好,这也在一定程度上说明假人具有较好的实验重复性。
图2(d)说明VCmax均出现在冲击前期胸压位移达到最大值之前,且均在验证区间内(表2所示)。这表明Hybrid III假人有限元模型能够有效地模拟非致命动能弹的钝性冲击过程以及弹体、胸部的动态响应,是一种有效的胸部损伤评估替代物。
图2 工况1-工况3条件下Hybrid III假人胸部响应及验证区间Fig.2 Throax response of Hybrid III dummy model and biomechanical corridors for impact cases 1-3
2.2 钝性冲击过程分析
为深入分析非致命动能弹的钝性冲击过程,并揭示其与大质量低速钝性冲击的不同,在与工况3能量一致的条件下,设计表3所示工况进行对比分析。
表3 钝性冲击模拟工况及VCmaxTable 3 Blunt impact case and VCmax
2.2.1 冲击力分析
图3为工况3-工况5条件下冲击物冲击力变化。可见,在初始能量一致的条件下,非致命动能弹钝性冲击和大质量低速冲击的冲击时程显著不同:工况3仅为1.250 ms,工况4为1.638 ms,工况5则为72.116 ms;在形态上则均呈现双峰态。在冲击物开始接触胸部时,产生一个非常陡峭的冲击力脉冲,这与文献[14]中的结果一致。这是由于假人皮肤表面为不规则形状,冲击物首先与皮肤表面发生小面积接触,使接触面的节点加速,自身减速,随着两者速度的快速趋近,冲击力迅速减小。此时,工况3下脉冲峰值为15 833.2 N,持续时间0.154 ms;工况4下脉冲峰值为8 179.7 N,持续时间0.227 ms;工况5下脉冲峰值为178.4 N,持续时间1.325 ms。该过程对大质量冲击物的冲量变化影响不大,工况5下为0.129 5 N·s,仅占总冲量的0.2%;而工况3下为1.107 1 N·s,占总冲量的54.3%。
图3 工况3-工况5条件下冲击力的变化Fig.3 Impact force variation for impact cases 3-5
随着接触面增大,冲击物持续压缩胸部形成凹陷,胸部皮肤与其内的胸垫,胸垫与胸骨等部件发生接触,在胸部各部件的弹性阻力和粘性阻力的共同作用下,冲击物持续减速,加速度逐渐增加,冲击力波动性出现第二个脉冲峰值,工况3为2 212.5 N,工况4为4 140.7 N,工况5为1 580.5 N。而后冲击物加速度逐渐减小,速度衰减至0,压缩位移量达到最大值后,冲击物开始回弹。
相较于非致命动能弹这种小质量高速冲击,大质量低速钝性冲击时程更长、冲击力峰值更小,这预示着在同等能量下,两者造成的损伤伤情及程度是不同的。
2.2.2 能量传递分析
能量传递是造成目标损伤的主要因素[15]。钝性冲击过程中,冲击物的动能Eproj_kin、内能Eproj_int,胸部的动能Ethx_kin、内能Ethx_int之间的转换存在如下关系:
(3)
由于假人胸部由皮肤、胸垫、胸骨、肋骨、脊椎等部件构成,本文将胸部皮肤和胸垫外的部件统称为其它,则胸部能量关系为
(4)
式中:下标skin、cpad、other分别代表皮肤、胸垫和其它,kin、int分别代表动能和内能。
图4和图5分别为不同工况条件下冲击物、胸部及其内各部件的能量变化情况。可以看出,冲击物为硬性材料,冲击过程中的内能变化很小,初始动能可认为全部传递给假人(工况5下在100 ms时刻有15.6 J的能量传递到假人胸部以外部位,在此不予考虑),其动能变化整体呈现两个下降阶段。在接触初始的下降阶段,冲击物质量越小动能衰减速度越快,衰减量越大:工况3在0.154 ms内衰减了初始动能的81.4%,工况4在0.227 ms内衰减了35.9%,工况5在1.325 ms内仅衰减了0.5%。对于小质量高速冲击条件,由于冲击物质量远小于胸部质量(17.19 kg),冲击物会首先引起胸部接触部位的局部运动,其动能大部分转化为胸部动能,另外一部分由于胸部压缩变形而被吸收。峰值状态下,工况3胸部动能与内能比值为1.617∶1,工况4下该比值为1.811∶1。
图4 工况3-工况5条件下冲击物及胸部能量的变化Fig.4 Energy variation of the projectile and throax for impact cases 3-5
从图5(a)和图5(b)可以看出,此时冲击物首先接触并压缩皮肤表面,因而皮肤动能和内能率先快速增加,随后是胸垫。而后,胸部的动能转化为其内能,导致动能快速降低,内能持续增加。此时,冲击物加速度持续减小,速度变化较缓,能量变化出现拐点。在大质量低速冲击条件下,冲击物质量略大于胸部,冲击物较大的惯性使其在该阶段动能变化较小,大部分转化为胸部皮肤和胸垫的内能。
图5 工况3-工况5条件下假人胸部各部件能量变化Fig.5 Variation of energy transmitted to parts of throax for impact cases 3-5
随后,冲击物的剩余动能继续传递给胸部,进入下一下降阶段,此时胸部压缩变形吸收了更多的能量,从而胸部内能持续增加。在小质量高速冲击条件下,由于较大质量冲击物的剩余动能较大,会继续引起胸部皮肤和胸垫更大范围的运动,而且在0.6 ms时刻能量传递到胸骨、肋骨等其它部件,使其运动(图5(b)),因而胸部动能缓慢增加;较小质量冲击物引起扰动的能力下降,且只有甚少能量传递到其它部件(图5(a)),胸部动能转换为胸部内能从而逐渐降低。冲击结束后,胸部各部件的剩余动能继续缓慢转化为内能,此时胸部内能逐渐达到最大值,工况3下达到49.44 J,工况4下达到51.17 J。而在大质量低速冲击条件下,冲击物动能大部分被胸部各部件变形吸收,剩余部分大多转化为其它部件的动能(图5(c)),胸部内能最大达到40.12 J。
结合表3中VCmax的结果可以看出,三种工况下胸部吸收的内能差距不大,但质量越小,内能吸收速率越快,对胸部的损伤程度越大。结合上述分析可知,小质量高速冲击引起胸部皮肤和胸垫动能和内能的快速转换,从而造成局部部位的挫伤、撕裂伤、血肿等表面伤;大质量低速冲击下,胸部其它部件的动能和内能都显著高于皮肤和胸垫,使其损伤伤情以胸内骨折和脏器损伤为主。
2.2.3 应力传播分析
工况3条件下胸部皮肤、胸垫、肋骨的等效应力随时间变化的分布情况如图6所示,可以看出在钝性冲击下,皮肤表面首先发生压缩变形,在接触点出现应力集中,并以接触点为圆心,以球面波的形式在皮肤内传播,随着接触面的增大,应力集中范围扩大到整个接触面,峰值达到13.7 MPa;当皮肤挤压胸垫后,胸垫的应力反射及皮肤接触面周围拉应力和压应力共同作用,使得皮肤接触面的应力逐渐减小,而在接触面周围约冲击物直径的2倍处出现应力峰值,最高达7.5 MPa,预示着其创伤面要大于弹体的横截面积,这与文献[9]的生物损伤实验结果一致;冲击结束后,应力波继续传播覆盖到前胸皮肤大部分区域。
图6 工况3条件下Hybrid III假人胸部各部位等效应力传播Fig.6 Von Mises stress waves transmission of Hybrid III dummy model for impact of case 3
胸垫的最大等效应力界面始终位于与皮肤的挤压中心,峰值最高为4.06 MPa。当胸垫挤压胸骨后,在前侧肋骨的拐角内侧出现应力集中,峰值最高约2.56 MPa,应力波在肋骨内往复传播,应力集中区域逐步扩展到后侧。这表明钝性冲击下肋骨断裂将会发生在前侧拐角处,与文献[4]尸体实验中肋骨断裂均出现在距胸骨体5～9.5 cm距离处的结果相吻合。
2.3 损伤评估分析
钝性冲击胸部会造成皮肤和皮下组织的表面伤、胸骨/肋骨骨折和脏器损伤等。若多根肋骨骨折不仅会增大脏器损伤风险,而且会危及生命[16],因此,本文针对其胸骨/肋骨骨折情况进行损伤评估。VCmax是最早由VIANO[17]提出的应用于汽车碰撞领域软组织损伤评估的标准。文献[4]通过尸体实验证实该标准也可用于非致命动能弹的胸部损伤评估,认为当VCmax=0.8 m/s时造成胸骨或两根以上肋骨骨折的概率为50%。由于当前非致命动能弹向小质量发展,故针对30gL5型棍弹设计模拟工况(表4),并基于上述标准对其损伤情况进行数值评估。
表4 30gL5型棍弹损伤评估模拟工况及VCmaxTable 4 Impact case and VCmax for injury assessment the L5 projectile at 30g
结合工况3的结果,发现VCmax随冲击物速度的增加而增加,通过二次曲线拟合(图7),可以看出,当V≥74.6m/s时,VCmax≥0.8 m/s。这意味着该弹速度超过该值时,造成胸骨或两根以上肋骨骨折的概率会超过50%。
图7 不同速度下的VCmaxFig.7 VCmax for different velocities
本文建立了非致命动能弹与大质量冲击物钝性冲击Hybrid III假人的有限元模型,在与尸体实验对比验证的基础上,深入比较分析了非致命动能弹高速钝性冲击与大质量低速钝性冲击过程,并针对30gL5型棍弹进行了损伤评估。得出以下结论:
①由Hybrid III假人有限元模型得到的胸部压缩量变化和VCmax均在尸体实验的验证区间范围内,基于该模型能够有效获得非致命动能弹钝性冲击胸部的动态响应并进行损伤评估。
②冲击物钝性冲击Hybrid III假人胸部的冲击力呈双峰态,同等初始能量下,非致命动能弹钝性冲击时程更短,冲击力峰值更大,能量衰减速度更快。
③非致命动能弹在钝性冲击过程中会造成胸部皮肤和胸垫动能和内能的快速转换,从而形成局部表面伤;大质量冲击物的动能大部分转化为胸部其它部件的动能和内能,故而损伤伤情以胸内骨折和脏器损伤为主。
④30gL5型棍弹会在皮肤的接触面及周围约直径的2倍处相继出现应力峰值,使其创伤面大于弹体截面积;肋骨前侧拐角处首先出现应力集中,容易造成断裂。损伤评估表明,该弹速度超过74.6 m/s时,造成胸骨或两根以上肋骨骨折的概率超过50%。
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