兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (6): 240457-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0457
钱昊承1, 温垚珂1,*(), 汪萌1,2, 罗小豪3, 王会成1, 聂伟晓1, 凤至彦1, 童梁成4
收稿日期:
2024-06-11
上线日期:
2025-06-28
通讯作者:
基金资助:
QIAN Haocheng1, WEN Yaoke1,*(), WANG Meng1,2, LUO Xiaohao3, WANG Huicheng1, NIE Weixiao1, FENG Zhiyan1, TONG Liangcheng4
Received:
2024-06-11
Online:
2025-06-28
摘要:
为了解决现有拼接式陶瓷防弹插板陶瓷片之间缺乏结构协同、对冲击能量耗散差等问题,设计一种基于铁定甲虫骨质结构的仿生拓扑互锁构型陶瓷拼接方案,开展其在枪弹冲击下对人体的防护性能数值模拟研究。基于生物材料的微观结构和工程结构中的拓扑互锁原理,设计仿铁定甲虫骨质结构的异型防弹插板陶瓷面板。基于3D-DIC试验验证仿真模型的准确性,开展DBP 10式5.8mm步枪弹侵彻正方形、六边形和仿生拓扑互锁构型陶瓷拼接防弹插板的数值模拟,发现仿生拓扑互锁构型陶瓷块能有效地让周围陶瓷参与到对冲击能量的耗散中,仿生拓扑互锁构型陶瓷防弹插板受到侵彻后的背面鼓包高度比六边形陶瓷防弹插板减少约8%。设计基于仿生拓扑互锁陶瓷构型的新型单兵防护插板,开展M80枪弹对穿新型单兵防护人体躯干的钝击效应数值模拟,结果表明:钝击能量主要被肌肉和胸肋骨承担,胸肋骨的应力峰值达到30.7MPa,可能会出现骨裂;心脏最大应力为930.2kPa,肺部最大应力为777.5kPa,可能会造成心肌损伤和肺部软组织挫伤。
中图分类号:
钱昊承, 温垚珂, 汪萌, 罗小豪, 王会成, 聂伟晓, 凤至彦, 童梁成. 基于仿生拓扑互锁构型陶瓷拼接的SiC/UHMWPE防弹插板防护性能[J]. 兵工学报, 2025, 46(6): 240457-.
QIAN Haocheng, WEN Yaoke, WANG Meng, LUO Xiaohao, WANG Huicheng, NIE Weixiao, FENG Zhiyan, TONG Liangcheng. Protection Performance of SiC/UHMWPE Bulletproof Insert Plate with Biomimetic Topology Interlocking Configuration-based Ceramic Assembly[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(6): 240457-.
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
ρ(g·cm-3) | 3.16 | K1/MPa | 204785 |
G/GPa | 100 | K2/MPa | 0 |
σi/GPa | 4.92 | /GPa | 12.2 |
pi/GPa | 1.5 | /GPa | 0.2 |
σf/GPa | 0.1 | 999 | |
pf/GPa | 0.25 | D1 | 0.16 |
Tmax/GPa | 0.75 | D2 | 1.0 |
C | 0.009 | β | 1.0 |
表1 SiC陶瓷的JHB本构参数[15]
Table 1 JHB constitutive parameters for SiC ceramics[15]
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
ρ(g·cm-3) | 3.16 | K1/MPa | 204785 |
G/GPa | 100 | K2/MPa | 0 |
σi/GPa | 4.92 | /GPa | 12.2 |
pi/GPa | 1.5 | /GPa | 0.2 |
σf/GPa | 0.1 | 999 | |
pf/GPa | 0.25 | D1 | 0.16 |
Tmax/GPa | 0.75 | D2 | 1.0 |
C | 0.009 | β | 1.0 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
ρ(g·cm-3) | 0.97 | G12/MPa | 15 |
E1/MPa | 25000 | G13/MPa | 3000 |
E2/MPa | 25000 | G23/MPa | 3000 |
E3/MPa | 8000 | X1t/MPa | 1250 |
ν12 | 0.006 | X2c/MPa | 1250 |
ν13 | 0.06 | X3c/MPa | 1250 |
ν23 | 0.06 | X3t/MPa | 650 |
表2 UHMWPE材料参数[16]
Table 2 Material parameters of UHMWPE[16]
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
ρ(g·cm-3) | 0.97 | G12/MPa | 15 |
E1/MPa | 25000 | G13/MPa | 3000 |
E2/MPa | 25000 | G23/MPa | 3000 |
E3/MPa | 8000 | X1t/MPa | 1250 |
ν12 | 0.006 | X2c/MPa | 1250 |
ν13 | 0.06 | X3c/MPa | 1250 |
ν23 | 0.06 | X3t/MPa | 650 |
ρ/(g·cm-3) | Enn/MPa | Ess/MPa | Ett/MPa | /MPa |
---|---|---|---|---|
2 | 400 | 689 | 689 | 1 |
/MPa | /MPa | /(J·mm-2) | /(J·mm-2) | /(J·mm-2) |
1.6 | 1.6 | 0.5 | 1 | 1 |
表3 粘结层的材料参数[17]
Table 3 Constitutive parameters for cohesive layers[17]
ρ/(g·cm-3) | Enn/MPa | Ess/MPa | Ett/MPa | /MPa |
---|---|---|---|---|
2 | 400 | 689 | 689 | 1 |
/MPa | /MPa | /(J·mm-2) | /(J·mm-2) | /(J·mm-2) |
1.6 | 1.6 | 0.5 | 1 | 1 |
参数 | 钢芯 | 背甲 | 铅套 |
---|---|---|---|
ρ(g·cm-3) | 7.83 | 7.92 | 11.34 |
G/GPa | 77 | 77 | 17 |
T/K | 293 | 293 | 294 |
Tm/K | 1793 | 1793 | 600 |
A/MPa | 792 | 300 | 14 |
B/MPa | 510 | 275 | 18 |
n | 0.26 | 0.15 | 0.69 |
C | 0.28 | 0.014 | 0.035 |
m | 1.03 | 1.09 | 1.68 |
表4 DBP10式5.8mm步枪弹材料参数[18-19]
Table 4 Material parameters of 5.8mm DBP10 rifle bullet[18-19]
参数 | 钢芯 | 背甲 | 铅套 |
---|---|---|---|
ρ(g·cm-3) | 7.83 | 7.92 | 11.34 |
G/GPa | 77 | 77 | 17 |
T/K | 293 | 293 | 294 |
Tm/K | 1793 | 1793 | 600 |
A/MPa | 792 | 300 | 14 |
B/MPa | 510 | 275 | 18 |
n | 0.26 | 0.15 | 0.69 |
C | 0.28 | 0.014 | 0.035 |
m | 1.03 | 1.09 | 1.68 |
器官 | 密度ρ/(g·cm-3) | 杨氏模量E/MPa | 泊松比ν |
---|---|---|---|
肌肉 | 1.2 | 16.32 | 0.42 |
肋骨 | 1.412 | 6500 | 0.22 |
肋软骨 | 1.07 | 2.5 | 0.4 |
脊柱 | 1.33 | 355 | 0.26 |
椎间盘 | 1.2 | 4.2 | 0.45 |
表5 线弹性组织材料参数[22]
Table 5 Linear elastic tissue material parameters[22]
器官 | 密度ρ/(g·cm-3) | 杨氏模量E/MPa | 泊松比ν |
---|---|---|---|
肌肉 | 1.2 | 16.32 | 0.42 |
肋骨 | 1.412 | 6500 | 0.22 |
肋软骨 | 1.07 | 2.5 | 0.4 |
脊柱 | 1.33 | 355 | 0.26 |
椎间盘 | 1.2 | 4.2 | 0.45 |
密度ρ/ (g·cm-3) | C01 | C10 | B1 | 阶数 | g | k | τ |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1.2 | 0.8 | -0.4 | 2.19 | 1 | 0.8682 | 0 | 0.005 |
2 | 0.04379 | 0 | 0.07995 | ||||
1.06 | 0.003447 | 0.0031 | 913 | 1 | 0.52826 | 0 | 0.008 |
2 | 0.301889 | 0 | 0.15 |
表6 黏超弹性材料参数[23]
Table 6 Visco-hyperelastic material parameters[23]
密度ρ/ (g·cm-3) | C01 | C10 | B1 | 阶数 | g | k | τ |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1.2 | 0.8 | -0.4 | 2.19 | 1 | 0.8682 | 0 | 0.005 |
2 | 0.04379 | 0 | 0.07995 | ||||
1.06 | 0.003447 | 0.0031 | 913 | 1 | 0.52826 | 0 | 0.008 |
2 | 0.301889 | 0 | 0.15 |
器官 | 损伤程度 | 损伤判据 |
---|---|---|
肌肉 | 一段时间后可恢复 | 压缩量小于20% |
胸骨和肋骨 | 弹着点后方胸骨可能轻微骨裂 | 等效应变小于0.02 |
心脏 | 可能造成心肌损伤 | 主应力大于300kPa |
肺脏 | 可能使肺部软组织发生挫伤 | 主应力大于240kPa |
表7 胸部各主要器官损伤情况
Table 7 Extent of camage to major organs in the chest
器官 | 损伤程度 | 损伤判据 |
---|---|---|
肌肉 | 一段时间后可恢复 | 压缩量小于20% |
胸骨和肋骨 | 弹着点后方胸骨可能轻微骨裂 | 等效应变小于0.02 |
心脏 | 可能造成心肌损伤 | 主应力大于300kPa |
肺脏 | 可能使肺部软组织发生挫伤 | 主应力大于240kPa |
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