兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (1): 231164-.doi: 10.12382/bgxb.2023.1164
马潮禾1,2, 刘鹏1,2, 陈婧1,2, 周宏元3, 黄广炎1,2, 张宏1,2,*()
收稿日期:
2023-12-05
上线日期:
2024-03-18
通讯作者:
基金资助:
MA Chaohe1,2, LIU Peng1,2, CHEN Jing1,2, ZHOU Hongyuan3, HUANG Guangyan1,2, ZHANG Hong1,2,*()
Received:
2023-12-05
Online:
2024-03-18
摘要:
反恐处突人员在处理城市暴力恐袭事件时需要同时应对刀刺及枪击的威胁,单一防护功能的防护服难以保障生命安全。根据防弹和防刺机理,将防弹和防刺材料进行组合设计可达到多功能的防护效果。目前基于组合材料的双防服研制方法主要为实验试错,设计效率低下,成本较高。针对这一问题,提出一种基于能量吸收准则的纤维混杂防弹防刺结构理论设计与优化方法,开展单一防护材料即浸胶芳纶布和超高分子量聚乙烯(Ultra high molecular weight Polyethylene,PE)无纬布的弹道实验和动态穿刺实验,计算单一材料的弹道动能吸收和穿刺动能吸收。基于能量守恒定律,设计给定8500g/m2面密度下的防弹防刺组合结构,得到防弹与防刺材料的层数范围。经过弹道及动态穿刺实验验证,理论计算安全余量充足,11层浸胶芳纶布加18层PE无纬布组合满足公安部《GA68—2019警用防刺服》及警用三级防弹要求且最为轻便,面密度8390g/m2。对防弹防刺结构进行优化设计,得到面密度为8370g/m2的最轻量组合结构(9层浸胶芳纶布加21层PE无纬布),研究成果可为双防服的工程设计与创新应用提供参考。
中图分类号:
马潮禾, 刘鹏, 陈婧, 周宏元, 黄广炎, 张宏. 基于纤维混杂的防弹防刺材料结构设计与优化[J]. 兵工学报, 2025, 46(1): 231164-.
MA Chaohe, LIU Peng, CHEN Jing, ZHOU Hongyuan, HUANG Guangyan, ZHANG Hong. Design and Optimization of Bulletproof and Stab-resistant Structure Based on Mixed Fabrics[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(1): 231164-.
类型 | 材料 | 单层面密度/ (g·m-2) | 硬度(邵氏 硬度计LX-C) | 图片 |
---|---|---|---|---|
防弹材料 | 科博PE布 | 240 | 75 | |
防刺材料 | 浸胶芳纶布 | 370 | 84 | |
表1 实验材料信息
Table 1 Experimentalmaterial information
类型 | 材料 | 单层面密度/ (g·m-2) | 硬度(邵氏 硬度计LX-C) | 图片 |
---|---|---|---|---|
防弹材料 | 科博PE布 | 240 | 75 | |
防刺材料 | 浸胶芳纶布 | 370 | 84 | |
试样 | 总层数 | 总面密度/ (g·m-2) | 平均穿透 层数/层 | 防刺平均 单层吸能/J |
---|---|---|---|---|
浸胶芳纶布试样1 | 23 | 8510 | 16 | 1.5 |
浸胶芳纶布试样2 | 18 | 6660 | 16 | 1.5 |
科博PE布试样1 | 36 | 8640 | 全穿 | |
科博PE布试样2 | 59 | 14160 | 43 | 0.558 |
表2 防刺实验结果
Table 2 Results ofanti stabbing test
试样 | 总层数 | 总面密度/ (g·m-2) | 平均穿透 层数/层 | 防刺平均 单层吸能/J |
---|---|---|---|---|
浸胶芳纶布试样1 | 23 | 8510 | 16 | 1.5 |
浸胶芳纶布试样2 | 18 | 6660 | 16 | 1.5 |
科博PE布试样1 | 36 | 8640 | 全穿 | |
科博PE布试样2 | 59 | 14160 | 43 | 0.558 |
试样 | 总层数k/层 | 总面密度/ (g·m-2) | 试样穿透情况 | 弹头速度v/ (m·s-1) | 胶泥凹陷深度h/ mm | 穿透层数n | 防弹单层材料 吸能Q1,Q2/J |
---|---|---|---|---|---|---|---|
科博PE布 试样1 | 36 | 8640 | 未完全穿透 | 510 | 12.6 | 5 | 19.91 |
520 | 12.1 | 7 | 20.75 | ||||
515 | 12.3 | 5 | 20.33 | ||||
523 | 12.4 | 6 | 20.97 | ||||
科博PE布 试样2 | 40 | 9600 | 未完全穿透 | 520 | 7.2 | 5 | 18.87 |
508 | 6.3 | 5 | 18.02 | ||||
514 | 6.2 | 6 | 18.46 | ||||
517 | 9.3 | 5 | 18.59 | ||||
浸胶芳纶布试样1 | 23 | 8510 | 完全穿透 | ||||
浸胶芳纶布 试样2 | 46 | 17020 | 未完全穿透 | 520 | 7.2 | 5 | 18.87 |
518 | 9.4 | 31 | 24.08 | ||||
512 | 6.2 | 27 | 27.13 | ||||
507 | 6.1 | 30 | 23.94 | ||||
510 | 6.3 | 31 | 23.44 | ||||
浸胶芳纶布 试样3 | 52 | 19240 | 未完全穿透 | 523 | 5.3 | 26 | 29.42 |
515 | 6.3 | 27 | 27.45 | ||||
506 | 5.4 | 26 | 27.53 | ||||
514 | 6.2 | 31 | 23.81 |
表3 弹道实验结果
Table 3 Ballistic experimental results
试样 | 总层数k/层 | 总面密度/ (g·m-2) | 试样穿透情况 | 弹头速度v/ (m·s-1) | 胶泥凹陷深度h/ mm | 穿透层数n | 防弹单层材料 吸能Q1,Q2/J |
---|---|---|---|---|---|---|---|
科博PE布 试样1 | 36 | 8640 | 未完全穿透 | 510 | 12.6 | 5 | 19.91 |
520 | 12.1 | 7 | 20.75 | ||||
515 | 12.3 | 5 | 20.33 | ||||
523 | 12.4 | 6 | 20.97 | ||||
科博PE布 试样2 | 40 | 9600 | 未完全穿透 | 520 | 7.2 | 5 | 18.87 |
508 | 6.3 | 5 | 18.02 | ||||
514 | 6.2 | 6 | 18.46 | ||||
517 | 9.3 | 5 | 18.59 | ||||
浸胶芳纶布试样1 | 23 | 8510 | 完全穿透 | ||||
浸胶芳纶布 试样2 | 46 | 17020 | 未完全穿透 | 520 | 7.2 | 5 | 18.87 |
518 | 9.4 | 31 | 24.08 | ||||
512 | 6.2 | 27 | 27.13 | ||||
507 | 6.1 | 30 | 23.94 | ||||
510 | 6.3 | 31 | 23.44 | ||||
浸胶芳纶布 试样3 | 52 | 19240 | 未完全穿透 | 523 | 5.3 | 26 | 29.42 |
515 | 6.3 | 27 | 27.45 | ||||
506 | 5.4 | 26 | 27.53 | ||||
514 | 6.2 | 31 | 23.81 |
总层数 | 弹头速度/ (m·s-1) | 胶泥凹陷 深度/mm | 单层材料吸能/J | |
---|---|---|---|---|
实验 计算值 | 拟合曲线函数 计算值 | |||
25 | 447.6 | 19.8 | 20.69 | 21.88 |
452.7 | 17.1 | 21.82 | 21.41 | |
458.2 | 21.8 | 21.18 | 22.20 | |
446.4 | 18.6 | 20.87 | 21.68 |
表4 科博PE布拟合曲线有效性验证
Table 4 Verification of the effectiveness of fitting curve of Kebo PE fabric
总层数 | 弹头速度/ (m·s-1) | 胶泥凹陷 深度/mm | 单层材料吸能/J | |
---|---|---|---|---|
实验 计算值 | 拟合曲线函数 计算值 | |||
25 | 447.6 | 19.8 | 20.69 | 21.88 |
452.7 | 17.1 | 21.82 | 21.41 | |
458.2 | 21.8 | 21.18 | 22.20 | |
446.4 | 18.6 | 20.87 | 21.68 |
序号 | 浸胶芳纶布层数 | 科博PE布层数 | 面密度/(g·m-2) |
---|---|---|---|
1 | 7 | 25 | 8590 |
2 | 8 | 23 | 8480 |
3 | 9 | 22 | 8610 |
4 | 10 | 20 | 8500 |
5 | 11 | 18 | 8390 |
6 | 12 | 17 | 8520 |
表5 不同组合结构的面密度
Table 5 Surface densities of different composite structures
序号 | 浸胶芳纶布层数 | 科博PE布层数 | 面密度/(g·m-2) |
---|---|---|---|
1 | 7 | 25 | 8590 |
2 | 8 | 23 | 8480 |
3 | 9 | 22 | 8610 |
4 | 10 | 20 | 8500 |
5 | 11 | 18 | 8390 |
6 | 12 | 17 | 8520 |
方案 | 总面密度/ (g·m-2) | 穿透面密度/ (g·m-2) | 比吸能/ (J·m2·kg-1) |
---|---|---|---|
新组合 | 8390 | 5510 | 4.355 |
中泰双防服 | 9600 | 7800 | 3.077 |
23层浸胶芳纶布组合 | 8510 | 5920 | 4.054 |
表6 组合结构动态穿刺实验结果
Table 6 Dynamic puncture experimental results of composite structures
方案 | 总面密度/ (g·m-2) | 穿透面密度/ (g·m-2) | 比吸能/ (J·m2·kg-1) |
---|---|---|---|
新组合 | 8390 | 5510 | 4.355 |
中泰双防服 | 9600 | 7800 | 3.077 |
23层浸胶芳纶布组合 | 8510 | 5920 | 4.054 |
方案 | 总面密度/ (g·m-2) | 入射速度/ (m·s-1) | 凹陷深度/ (mm) | 比吸能/ (J·m2·kg-1) |
---|---|---|---|---|
新组合 | 8390 | 515 | 15.2 | 86.1 |
512 | 13.5 | 85.8 | ||
520 | 15.1 | 87.9 | ||
514 | 15.3 | 85.7 | ||
中泰双防服 | 9600 | 513 | 19.3 | 72.5 |
517 | 18.4 | 74.3 | ||
518 | 22.7 | 71.4 | ||
511 | 18.3 | 71.9 | ||
36层科博 PE布 | 8640 | 520 | 7.2 | 82.9 |
508 | 6.3 | 86.4 | ||
514 | 6.2 | 84.7 | ||
517 | 9.3 | 87.4 |
表7 组合结构的弹道实验结果
Table 7 Ballistic experimental results of combined structures
方案 | 总面密度/ (g·m-2) | 入射速度/ (m·s-1) | 凹陷深度/ (mm) | 比吸能/ (J·m2·kg-1) |
---|---|---|---|---|
新组合 | 8390 | 515 | 15.2 | 86.1 |
512 | 13.5 | 85.8 | ||
520 | 15.1 | 87.9 | ||
514 | 15.3 | 85.7 | ||
中泰双防服 | 9600 | 513 | 19.3 | 72.5 |
517 | 18.4 | 74.3 | ||
518 | 22.7 | 71.4 | ||
511 | 18.3 | 71.9 | ||
36层科博 PE布 | 8640 | 520 | 7.2 | 82.9 |
508 | 6.3 | 86.4 | ||
514 | 6.2 | 84.7 | ||
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