上海交通大学硕士学位论文I复合式防弹衣对人体胸部防护性能仿真研究摘复合式防弹衣对人体胸部防护性能仿真研究摘 要要本主研究了防弹衣及人体胸部有限元模型建立的方法，并根据其结构特点建立了有限元分析模型，模拟仿真了弹丸高速冲击防弹衣保护下胸部肋骨的动力学响应过程，通过对结果的分析研究，对防弹衣防弹效果和人体胸部损伤情况进行了分析和评价详细论述了防弹衣的发展历程，介绍了防弹衣的分类，防弹机理，重点对防弹材料和弹丸冲击防弹衣弹道研究进行了介绍，对国内外防弹衣的评价标准时进行了对比介绍针对本文仿真模拟属大变形，大位移和非线性珠特点，详细论述了非线性结构动力学有限元仿真理论在仔细介绍人体胸部组织结构基础上，重点分析研究了人体胸部骨骼的力学性能准确选择材料模型对于最终计算结果尤其重要，本方以防弹胸部肋骨为主要研究对象，因此在选择材料模型时，力求能反应材料自身的真实性能在认真分析研究防弹衣和人体胸部组织结构和性能的基础上，抓住重点，对模型结构进行了简化处理，忽略次要结构，建立了防弹衣胸部 肋骨结构的有限元动力学模型在充分考虑不同材料面板和背板材料所具有的参数特征情况下，模型计算了不同工况下模型的动力学响应，详细分析了防弹衣结构特性及相关材料参数和弹丸特性对防弹衣防护性能和人体损伤程度的影响，对上海交通大学硕士学位论文II不同条件下人体胸部的损伤程度进行了评价，找到了有效降低人体受非贯穿伤和冲击力的有效途径。
本文所采用的计算方法和仿真结果有助于胸部骨骼组织受到冲击时的损伤机理分析研究，并为复合式防弹衣的优化设计和改进等提供参考关键词：复合式防弹衣，肋骨，高速冲击，非线性，LSDYNA关键词：复合式防弹衣，肋骨，高速冲击，非线性，LSDYNA上海交通大学硕士学位论文IIISIMULATED STUDY OF DEFENSIVE CAPABILITYOF COMPLE BULLET-PROOF VESTABSTRACTThe paper studied a method about bullet- proof vest ribs finite elementmodel, and then established model based on structure characteristic bullet-proof vest ribs. The dynamics response process of high speed bulletimpacting bullet- proof vest was simulated. According to analysis and studythe calculated results, it is hope to determine the defensive capability ofbullet proof vest and damage on the ribs.In this paper, particular discussed develop course about bullet- proofvest, introduced sort and ballistic mechanism of complex bullet proof vest.Because of simulation course belongs to great deformation and greatdisplacement and non- linear distortion of impact. So the non- linearstructural mechanics finite element simulation theory was discussed. Weemphasize discussed and studied tensile property based on analyzedanatomic structures of chest ribs.It is very important that select exact material model to final result.Study emphases of paper are bullet- proof vest and chest ribs. But mechanicscapability of fiber is very complexity, bone so to. so material model weselected give voice to actual capability of material. We predigest and neglectsome unimportant structures. A finite element dynamics model of bullet-上海交通大学硕士学位论文IVproof vest and chest ribs structure was established based on serious studytissue structure.Based on the bullet- proof vest chest ribs model and think of parametercharacter of material, we calculated dynamics response of model in differentcondition, particular analyzed and estimated impact about bullet proof vest′ sdefensive capability and body chest′ s trauma. Then found the effectualmethod to reduce damage of body.The work of this paper was useful for researching injury mechanism ofchest tissue, optimizing the design of complex bullet- proof vest.Key words: complex bullet- proof vest, ribs, high- speedimpact,non- linear, LS- DYNA上海交通大学学位论文原创性声明上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担学位论文作者签名：卫恒吉日期：2006 年 1 月 18 日上海交通大学学位论文版权使用授权书上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文保密保密□，在 年解密后适用本授权书本学位论文属于不保密 不保密□请在以上方框内打“√√” ）学位论文作者签名：卫恒吉 指导教师签名：顾力强日期： 2006 年 1 月 18 日 日期：2006 年 1 月 18 日上海交通大学硕士学位论文 第 1 章 绪论1第1章 绪 论1. 课题的目的和意义大量实事证明，在战争和社会治安事件中，防弹衣的使用可有效降低人员伤亡。
调查资料表明，在第一次世界大战中，英国军队在战场上死亡总数的 80%是由中速流弹和碎弹片造成的穿上防弹衣后，可有效阻挡流弹和碎弹片，伤亡率降低 58%其中胸部受伤造成的死亡率从 40%降到 8%，腹部受伤的死亡率从 39%降到 7%，受保护部位负伤降低了 74%从人体总表面积来看，胸部占有较大比例，因此被击中的概率最大在世界 20 世纪的典型战役中，75~80%的致命伤是由子弹、地雷及其它爆炸物的破片造成的，而所有受伤者 40%是胸部受伤在战场或治安事件中人员被高速弹片或弹头击中时，会受到一个相当大的冲击力，在弹片或弹头未穿透防弹衣时，产生的强冲击力通过防弹衣传递到人身体上，从医学上来看，当冲击力超过人体承受极限时就会使人受伤、骨折和内伤甚至致人死亡但是弹丸高速冲击防弹衣对人体胸部及胸腔骨骼的损伤以及传递力的大小用实验的方法很难测量，为提高防弹衣防弹能力和减轻对人体造成的损伤，深入研究高速弹丸冲击基于防弹衣保护下人体的力学响应及损伤之间的关系，具有十分重要的现实意义在我国防弹衣行业标准(GA141-2001)中，通常是利用是否穿透和凹陷深度来进行评判的，而其检验方法则多是实物检验，即用人体模型或动物披上防弹衣后，用规定的枪弹进行射击，然后观察其结果。
这种现行的方法只能通过人体模型或动物身上留下的痕迹而对穿透和凹陷深度做一个直观的推测和了解，并不能准确描述出人体所受瞬时冲击时防弹衣的应力变化及人体胸部和骨骼的损伤变化和生理响应，也不能对防弹材料在子弹冲击下的破坏机理和耗能方式进行力学分析，何况人与动物在许多方面存在较大差异，实验结果不能完全准确反映出作用于人的结果 因此在高速弹丸冲击问题中引入计算机数值模拟技术，会使人们更加准确的了解防弹材料的防弹机理，并就如何提高防护性能进行改进由于现代计算机及软件技术的飞速发展和逐步成熟，冲击问题的数值模拟和虚拟实验在诸多领域如制造业、汽车业等都成为一种十分有效的手段作为瞬时冲击碰撞实验，若使用传统工艺，则需要花费大量的精力、人力和财力，以此来检验各种产品是否达到要求，每当有新的车型或产品时，就要进行实验，甚至是多次实验，这样的结果势必会增加制造成本，降低企业的利润和竞争力加之，由于实验困难，难免有误差，得到的结果仍然和实际情况有相当大的差异因此计算机模拟技术是现代科学发展的必然趋势，该技术与传统的实验方法相比具有以下优点：１、能够完整、详尽地提供所有相关的数据；２、避免了不必要的实物实验，因而缩短了从产品设计到制造的周期，较大程度的降低了制造成本；上海交通大学硕士学位论文 第 1 章 绪论2３、它不仅能模拟冲击所能得到的最终结果，而且能从中得出实验规律，并进行优化设计。
相对于实物实验要消耗大量的人力、物力、财力来说，计算机模拟技术应用于军事领域也是必然的结果因此在一些复杂实验和有较大困难进行实物实验的情况下，计算机模拟技术不失为最佳的研究方法对于评判防弹衣防护能力等要进行抗冲击实验的科目，利用现在广泛应用的数值模拟仿真手段，深入讨论弹丸冲击防弹衣高速碰撞以及其它惯性载荷作用下，防弹衣及人体骨骼的变形过程及它们之间的关系，以及在不同载荷下的分布规律和时间变化关系，掌握防弹衣的防护机理和人体胸部骨骼的损伤机理，其结果与国防军工、交通等都密切相关，对冲击防护、交通安全与运动防护都可以提供有价值的参考数据，同时亦可对防弹装备进行必要的改进以求达到最好的防护效果，从而最大程度的降低人员伤亡和装备损失，为战争的胜利创造条件1.2 数值模拟的试验分析方法有限元分析方法是将连续空间系统进行离散化，并将实际结构中的各部分通过节点联系在一起从 Clough 的一篇论文中最早提出“有限元”这个名词开始，O.C.Zienkiewicz 等人为建立有限元法的完备理论体系和计算方法做出了重要贡献，从此有限元法不断成熟 [1]经过多年的不断完善，有限元方法已经成为一种公认较好的数学计算工具。
它不但可以很方便的实现复杂结构的。