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1、 2017 RESEARCHPLAN 基于有限元法的弹头射击机械防护服对人体损伤分析的研究 研究背景 机械防护服装的相关研究 人体损伤分析 子弹介绍 有限元法在人体损伤分析中的应用 子弹 防护服 人体有限元模型的建立及精确 有限元分析 结果评价 研究背景 在现代战场上 被杀伤元 子弹 破片等 击中心脏 肺脏等重要器官下的生存机率非常渺茫 因此 如何在受到轻武器打击时能够更有效的防护躯干历来是科学家们重要的研究课题 150多年来 科学家们一直致力于研究子弹和爆炸性武器的破片与人体组织的相互作用 为了使医生在挽救伤员生命的同时最大降低伤员受到危害时的痛苦 研究影响杀伤元致伤程度的因素 防护材料的防
2、弹机理 以及分析杀伤元撞击有防护人体后的钝击效应 成为现在各国研究的重要课题 人体生物力学方面的研究以成为当今世界研究的主要方向 1 3 防弹衣的普及应用虽然有效减少了穿透伤的发生 但枪弹击中防弹衣产生的钝性弹道冲击在造成胸部钝挫伤的同时 还可能造成颅脑的间接损伤 4 1 刘荫秋 王正国 马玉媛 创伤弹道学 M 人民军医出版社 1991 2 咸兴平 刘禄胜 于静 防弹衣的防护机理及防护性能分析 J 中国个体防护装备 2007 2 22 23 3 刘荫秋 创伤弹道学概论 M 新时代出版社 1985 4 CannonL Behindarmourblunttrauma anemergingprobl
3、em J JRArmyMedCorps 2001 147 87 96 防弹衣的使用极大的降低了士兵在战场中死亡率 据统计第一次世界大战因为防弹衣的使用使英国士兵的伤亡率降低了58 其中胸部受伤造成的死亡率从30 降低到了8 但得注意的是 合格的防弹衣虽然可以有效防止相应等级子弹造成穿入伤 但由于防弹衣于胸廓间的距离有限 子弹击中时防弹衣的变形挤压及压力波仍可将一部分能量传递至机体 造成后钝性伤 1 Shepard等 2 1969年报道了第一例防弹衣后损伤致死的案例 一名美国士兵被M 16步枪弹击中胸部 该士兵穿有防弹衣且未被击穿 但于伤后45分钟死于呼吸困难 尸体解剖发现有大面积的肺挫伤 自此
4、BART开始被人重视 随着近代武器的发展 越来越多的高能武器被运用于实战中以及弹衣设计者对防弹衣的重量以及厚度的减小导致能量更易向人体内传送 防弹衣后钝性伤的问题日益显著 已经成为近代创伤弹道学研究的重点 1 王凌青 不同弹体结构步枪弹致防弹衣后钝性伤特点及其生物力学机制 D 第三军医大学 2013 2 ShepardGH FergusonJL FosterJH Pulmonarycontusion AnnThoracSurg Feb1959 7 2 110 119 子弹介绍 子弹介绍 子弹的杀伤力由侵彻力 Penetration 和停止力 StoppingPower 的相互作用决定 普通弹曳
5、光弹燃烧弹穿甲燃烧弹瞬爆弹空头弹空包弹 智能弹无壳弹液体弹多头弹空爆式弹增强型弹 子弹杀伤力 基本分类 子弹介绍 枪长 188mm重量 760g口径 9mm全弹长 30mm全弹重 12 06g弹头重 8g发射弹头初速度 350m s发射方式 半自动有效射距 50m 弹头 DAP92式9mm普通弹杀伤力 停止作用好 1 陈振乾 史海青 纪毓琴 等 QSZ92式9mm手枪射击弹头痕迹研究 J 新疆警官高等专科学校学报 2007 27 1 29 33 QSZ92式军用手枪 1 子弹介绍 穿透作用 永久性空腔作用 暂时性空腔作用和破片作用 穿透作用 射弹击穿组织造成的破坏 永久性空腔作用 当射弹击穿组
6、织后 造成的空间量 简单的说 就是子弹穿过后留下的洞 暂时性空腔 弹头穿过时 由于动能的传导 牵拉组织 所造成的永久性空腔的扩展 破片作用 弹头的碎片或弹头造成的碎骨 在永久性空腔外壁被动向外围推挤 切断肌肉组织或血管对人体所造成的杀伤 在步枪弹造成的枪伤中 暂时性空腔作用和破片作用对人体的杀伤作用尤为明显 1 张北 手枪枪伤构成因素及射弹效力 J 警察实战训练研究 2008 2 90 91 枪伤构成要素 1 子弹介绍 穿透作用 永久性空腔作用是对人体造成杀伤的主要因素 手枪枪伤的构成因素中 最重要的是穿透作用 次重要的是永久性空腔作用 弹头必须能够达到足够的深度 才能穿透重要的器官 从人体侧
7、面射入的弹头必须深入达25 30厘米才能穿过心脏 而从正面射入的弹头必须深入达约16 18厘米才能穿透或者触及腹腔背侧的大血管 而永久性空腔要足够大 最大程度地造成组织的破损和出血 也就是说手枪的弹头必须至少能够穿入人体柔软的组织达到29厘米 比较理想的穿透深度是44 45厘米 在穿透作用相同的前提下 口径越大的子弹杀伤效果越好 大口径弹头能损坏小口径弹头触及不到的血管 造成更大的永久性空腔以及大量的失血 1 张北 手枪枪伤构成因素及射弹效力 J 警察实战训练研究 2008 2 90 91 手枪对人体造成杀伤的主要因素 1 T H R E E 机械防护服的相关研究 机械防护服装指使用特殊材料制
8、得的能有效抵抗刺穿 压力 敲打 摩擦等物理机械伤害的服装 其中对人体的主要伤害来自于冲击力 1 机械防护服装主要用来防弹 防割 防锯 防薄金属片 玻璃 刀或其他尖锐边缘物体侵害 广泛地应用于特殊的工作环境 机械防护服装的发展 机械防护服的相关研究 1 沙松雪 机械防护服装面料抗冲击性能研究 D 苏州大学 2010 原始时期 天然纤维编织带作为护胸 在20世纪之前 主要的机械防护服装由金属板做成 保护士兵的胸部 背部和肩部 20世纪40年代 制成的软质防弹衣 60年代 出现了氧化铝陶瓷材料改善了防弹衣的服用舒适性 发展历程 在第一次世界大战中 出现了以天然纤维织物为服装衬里 配以钢板制成的防弹衣
9、 二战后期 英军首先研制成功了由三块高锰钢板组成的防弹背心 而美国试制和正式采用的防弹衣就有23种之多 1945 美军研制成功铝合金与高强尼龙组合的防弹背心 型号为M12步兵防弹衣 50年代在朝鲜战争中 美军使用的尼龙材料软质防弹衣质量仅为3 6千克的 不仅提高了防护性能 而且还提高了作战的灵活性 7o年代美国杜邦公司研制出一种具有超高强度 超高模量 耐高温的合成纤维 Kevlar 机械防护服的相关研究 纤维材料的研究 20世纪50年代 美军首先试用尼龙这类软质合成材料制作防弹衣 当子弹击中防弹衣时 纵横交织的多层尼龙纤维像网一样裹住子弹 子弹如继续运动就必须拉伸尼龙纤维 尼龙纤维的张力降低了
10、子弹的运动速度 消耗并吸收了子弹的动能 由于弹片的动能和运动一般比子弹低得多 所以尼龙防护服装对弹片伤害的防护作用更明显 但是由于尼龙纤维的抗张强度所限 所以尼龙防护服装要收到好的防护效果 重量需在4 5kg以上 而穿上如此之重的防护服装 其活动性能至少要降低30 1 衰承军 高性能纤维和材料在防弹衣上的应用 中国个体防护装备 2005年 第3期 2 郑震 杨年慈 施相梧 黄可龙 硬质防弹维复合材料的研究进展 材料科学与工程学报 2005年12月 第23卷 第6期 机械防护服的相关研究 纤维材料的研究 美国杜邦公司于1971年研制出来的一种聚对苯二甲酞对苯二胺芳香族聚胺酞纤维 PPTA Kev
11、lar是最最有代表性的高强度 高模量纤维 PPTA纤维具有较高的化学稳定性和高温下的尺寸稳定性 有高拉伸强度 高模量 低延伸率 热性能较好等特点 但纤维不耐弯曲疲劳和摩擦 由于纤维内部存在吸收光辐射的酞胺基团 所以很不耐光 此外 吸湿后纤维的力学性能会有所下降 使用PPTA纤维做机械防护材料 就可以减轻质量 提高机械防护服装的舒适性 更重要的是提高了机械防护服装的防护性能 1 衰承军 高性能纤维和材料在防弹衣上的应用 中国个体防护装备 2005年 第3期 2 郑震 杨年慈 施相梧 黄可龙 硬质防弹维复合材料的研究进展 材料科学与工程学报 2005年12月 第23卷 第6期 机械防护服的相关研究
12、 纤维材料的研究 超高分子量聚乙烯纤维密度很低 力学性能和能量吸收性能优异 但是其在横向力学 高温力学和多种树脂的粘结方面性能较差 此纤维具有很高的强度和模量 密度小 所以其比拉伸模量是Kevlar纤维的4 5倍 而挠曲寿命优于Kevlar纤维 断裂伸长率也大于Kevlar纤维 所以超高分子量聚乙烯纤维具有较强的耐冲击性和能量吸收能力 耐化学制剂的能力和耐光性能也比Kevlar好 该纤维比重很轻 抗拉强度比刚高15倍 1 衰承军 高性能纤维和材料在防弹衣上的应用 中国个体防护装备 2005年 第3期 2 郑震 杨年慈 施相梧 黄可龙 硬质防弹维复合材料的研究进展 材料科学与工程学报 2005年
13、12月 第23卷 第6期 机械防护服的相关研究 纤维材料的研究 聚芳醋纤维是由溶质型液晶树脂制成 其强度 模量与Kevlar纤维相当 它的吸湿率接近于零 在干热和湿热处理后的强度保持率 振动吸收性和耐冲击周期性皆优于Kevlar纤维 但聚芳脂纤维仍须避免长时间的紫外线暴晒 而且 它的耐疲劳性 粘接性能还有待提高 1 郑震 杨年慈 施相梧 黄可龙 硬质防弹维复合材料的研究进展 材料科学与工程学报 2005年12月 第23卷 第6期 机械防护服的相关研究 纤维材料的研究 PBO纤维具有高强 高模量 耐热 阻燃等特性 其强力 模量为Kevlar纤维的两倍 PBO纤维柔软性良好 织成的织物柔软性近似于
14、涤纶纤维织物 对于纺织编织加工极为有利 抗老化性能 耐热性能和耐燃烧性能都比芳纶好 而且它的耐冲击性比芳纶 碳纤维要高很多 聚乙烯醇纤维 PVA 比断裂功大 易于粘接 价格适中 1 郑震 杨年慈 施相梧 黄可龙 硬质防弹维复合材料的研究进展 材料科学与工程学报 2005年12月 第23卷 第6期 2 衰承军 软质防弹衣材料现状及防弹衣发展趋势 轻兵器 2005年 第5期下 8 9页 机械防护服的相关研究 纤维材料的研究 蜘蛛丝 黑寡妇 质地比钢铁还坚韧而且非常轻巧 比合成材料或生物聚合体轻具有强度大 弹性好 柔软 质轻等优良性能 因此非常适合制造机械防护服 但由于来源级为有限 因此无法进行规模
15、化生产 目前 美国正利用人工方法生产蜘蛛丝 采取生物基因工程技术进行丝纤维蛋白物 与蜘蛛丝进行混合 生产制作机械防护服装的材料 1 邱日祥 生物防弹衣材料种种 中国安防产品信息 2005年第1期 第25页 机械防护服的相关研究 纤维材料的研究 奶牛所产的奶中含有 黑寡妇 蜘蛛的蛋白纤维 这就增强了牛奶蛋白纤维的强度 这种新颖的牛奶纤维 既保持了牛奶丝的精美与柔韧 又使它的物理强度比钢铁的强度还要大10倍以上 因此被称为 牛奶刚 它成为目前世界上最引人注目的生物刚之一 1 邱日祥 生物防弹衣材料种种 中国安防产品信息 2005年第1期 第25页 机械防护服的相关研究 纤维材料的研究 改变遗传物质
16、的山羊奶可以提供巨大的生产蜘蛛丝蛋白的能力 加拿大Nexia公司正在启动一项技术将蜘蛛丝基因分离开来 并与转基因羊组合起来 使山羊经过转基因处理后重组羊奶中的蜘蛛丝 这项技术也称为生物纲项目 这种技术能将蜘蛛丝蛋白质从山羊奶中提取出来并大规模生产 从转基因山羊奶中提取出的蜘蛛丝蛋白生产的蜘蛛丝纤维强度很高 会极大地提高机械防护服装的防护性能 1 邱日祥 生物防弹衣材料种种 中国安防产品信息 2005年第1期 第25页 机械防护服的相关研究 纤维材料的研究 英国的南安普敦大学的科学家们开发了一种从液体水晶中提炼出来的超强力水晶纤维 科学家们在实验室中发现 当对一层液体水晶施加电压时 所有水晶都会呈现出同一方向排列并形成以个长的分子链 用化学方法使水晶分子链结合 就会形成强拉力纤维 然后再用天然树脂将纤维定型 便制成超强力纤维 1 郑震 杨年慈 施相梧 黄可龙 硬质防弹维复合材料的研究进展 材料科学与工程学报 2005年12月 第23卷 第6期 机械防护服的相关研究 纤维材料的研究 碳 石墨 纤维由石墨微晶构成 因而具有很高的强度和弹性模量 断裂伸长较低 它的种类很多 但作为补强材料 碳纤
