基于3D-DIC的UHMWPE軟質(zhì)防彈衣性能測試

許 倞,溫垚珂,陳愛軍,董方棟,覃 彬

(1.南京理工大學(xué) 理學(xué)院, 南京 210094;2.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院, 南京 210094; 3.瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點實驗室, 北京 102202)

0 引言

軟質(zhì)防彈衣可以避免常規(guī)手槍彈和低速破片對人體胸部造成穿透傷,保護警察等執(zhí)法人員免受致命傷。但投射物擊中而未能貫穿防彈衣時,其部分沖擊動能仍會通過防彈衣傳遞給人體,形成一種類似鈍器猛擊的傷害,被稱為防彈衣后鈍性損傷(behind armor blunt trauma,BABT)[1]。鈍性損傷通常表現(xiàn)為皮膚、肌肉組織的損傷,嚴重的會導(dǎo)致肋骨骨折,對心、肺等組織器官造成損傷,甚至危害人的性命[2]。因此,基于3D-DIC研究軟質(zhì)防彈衣在9 mm彈丸侵徹下背部的響應(yīng)行為,一方面可以為新型軟質(zhì)防彈衣的設(shè)計及改進提供幫助,另一方面也為揭示鈍性損傷機理提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

目前,國內(nèi)普遍采用的防彈衣性能測試方法是在防彈衣后面放一塊膠泥,投射物撞擊防彈衣后會在膠泥中形成一個近似半球形的凹坑,當凹坑的深度不超過25 mm時即認為防彈衣合格。這種僅以膠泥最終凹陷深度作為防彈衣防護性能評估指標的方法雖然簡單,但無法獲取防彈衣背后鼓包(back face signature,BFS) 變形的三維動態(tài)過程數(shù)據(jù)。Luo等[3]使用高速攝影配合壓力傳感器研究了軟質(zhì)防彈衣后彈道明膠在手槍彈沖擊下的變形和內(nèi)部壓力波,獲得了防彈衣后面彈道明膠中的瞬時凹陷變化過程。羅小豪等[4]研究了球形破片鈍擊軟質(zhì)防彈衣的過程,揭示了破片與軟質(zhì)防彈衣相互作用機制,并對防彈衣的失效模式進行了定量分析。唐昌州[5]以25 mm厚紅松靶代替人體靶標,對小鎢球侵徹帶靶標軟質(zhì)防彈衣進行了試驗研究,給出防彈衣纖維的不同損傷狀態(tài),建立了彈道極限預(yù)測公式。胡東梅等[6]對不同結(jié)構(gòu)的納米管薄膜(CNTF)和UHMWPE的組合靶片進行了彈道試驗,并根據(jù)穿透層數(shù)和膠泥凹陷深度,得出靶片前后端為UHMWPE、中端為CNTF的三明治結(jié)構(gòu)設(shè)計能有效提高材料防彈性能的結(jié)論。李常勝[7]以手槍彈速度以及膠泥的凹陷程度為根據(jù),獲得了UHMWPE防彈衣的穿透概率曲線。

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(digital image correlation,DIC)為高速沖擊過程及防彈衣背面BFS三維動態(tài)變形測量提供了技術(shù)手段。Wen等[8]采用了數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測試步槍子彈撞擊復(fù)合防彈衣的動態(tài) BFS,獲得了BFS時程的形狀和尺寸、變形速度、加速度。Gonzalez等[9]使用3D-DIC技術(shù)測量了UHMWPE層壓板在受到各種高速投射物沖擊時背面BFS,獲得了層壓板不同時刻的變形場。Freitas[10]采用3D-DIC技術(shù)對17種不同結(jié)構(gòu)方案的防彈板進行彈道試驗,用于評估哪種方案的防護性能更好。溫垚珂[11-12]和鄭浩[13]運用3D-DIC對步槍彈侵徹SiC/UHMWPE 復(fù)合防彈衣和手槍彈侵徹防彈頭盔過程進行了測試,獲得了防彈衣背面變形和頭盔內(nèi)部變形的全場三維數(shù)據(jù),并基于試驗結(jié)果預(yù)測了其可能對人體胸部和頭部造成的鈍擊損傷等級。

本文中采用3D-DIC技術(shù)測量了9 mm鉛芯手槍彈射擊軟質(zhì)防彈衣后,防彈衣背面BFS高度、形態(tài)和變形速度等動態(tài)信息,基于試驗數(shù)據(jù)采用Gauss函數(shù)對BFS形狀進行了曲面擬合,用于快速估算任意時刻BFS形狀。

1 防彈衣性能測試

1.1 試驗原理

DIC技術(shù)最早由日本的 Yamaguchi[14]和美國南卡羅萊納大學(xué) Peters 等[15]提出。DIC是一種非接觸式光學(xué)檢測技術(shù),其原理是通過對試件表面的灰度數(shù)字圖像進行采集,通過對灰度數(shù)字圖像在不同時間的圖像變化進行分析計算,達到監(jiān)測試件表面變形與位移的目的[16]。3D-DIC 技術(shù)則將雙目立體視覺原理與 DIC 技術(shù)相結(jié)合,利用不同角度的2臺相機,通過標定獲取三維空間信息,拍攝被測物體表面散斑,再通過DIC 中的相關(guān)匹配算法來還原被測物體表面各點變形前后的空間坐標,獲得被測物體三維動態(tài)變形信息[17]。試驗時將兩臺高速攝像機分別放置在防彈衣后面,從2個角度拍攝防彈衣背面散斑區(qū)域變形,通過3D-DIC軟件獲得防彈衣背面的動態(tài)響應(yīng)。

1.2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)組成如圖1所示。軟質(zhì)防彈衣被固定在靶架上,與槍口保持5 m距離;2臺Phantom高速相機放置在防彈衣后面組成3D-DIC測量系統(tǒng),設(shè)置夾角約為20°并放置在同一水平高度,設(shè)置采樣頻率為20 000 fps,圖像大小為1 280 pixels×800 pixels;2個500 W直流燈置于高速相機前側(cè),給系統(tǒng)提供充足的光源;在靶架側(cè)面再放置一臺高速相機拍攝防彈衣BFS的側(cè)面輪廓,用以校驗3D-DIC測試結(jié)果。紅外觸發(fā)器放置在槍口附近,用于給3臺高速相機發(fā)送同步觸發(fā)信號;光電測速儀放置在槍口前約1 m處,以獲取槍彈入靶速度。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖(a)和現(xiàn)場試驗圖(b)

1.3 三維坐標構(gòu)建

在用3D-DIC系統(tǒng)進行正式試驗前,需要先對其進行三維坐標標定。如圖2所示,選擇大小為拍攝畫幅80%左右的標定板,在盡量靠近防彈衣的位置做大幅度的3自由度平動和3自由度轉(zhuǎn)動。確保在標定過程中,標定板上的所有點都在攝像機視場之內(nèi)。拍攝約50組以上的圖像后在3D-DIC 分析軟件中進行三維坐標計算,以確定三維空間。

圖2 系統(tǒng)標定

1.4 散斑制作

合適的散斑大小、分布及其與被測物表面良好的粘接是取得可靠DIC分析結(jié)果的前提。試驗用UHMWPE軟質(zhì)防彈衣由46層無緯布組成,防護等級為GA3級。樣品尺寸 300 mm×300 mm,厚度8 mm,總質(zhì)量為0.51 kg,面密度為5.67 kg/m2。根據(jù)被測物表面大小,通過DIC軟件計算得到合適散斑點的直徑為1.23 mm。

常用的散斑制作方式有噴墨、噴啞光漆以及黑墨滾子等方式[18-19]。在高速沖擊過程中,防彈衣的變形速度很大,導(dǎo)致散斑在沖擊過程中極易脫落,從而造成DIC分析無法進行。經(jīng)多次改進,發(fā)現(xiàn)利用水轉(zhuǎn)印紙可以較好的將散斑粘貼在防彈衣背面。其制作過程為:打印散斑,將水轉(zhuǎn)印紙粘貼在散斑紙上,把粘性層同散斑留在散斑紙上,再把水轉(zhuǎn)印紙粘貼在防彈衣上,最后將紙纖維去除,就得到了在沖擊過程中不易掉落的散斑。最終制作的散斑如圖3所示。

圖3 防彈衣背面散斑

2 試驗結(jié)果驗證

采用G形夾將防彈衣4個角固定在靶架上,用NP22手槍發(fā)射9 mm全金屬被甲鉛芯彈侵徹防彈衣。每個防彈衣僅朝正中心射擊一發(fā),共進行了3組試驗,以確保試驗結(jié)果的一致性。用光電測速儀測得子彈平均速度為321 m/s。

受擊后的防彈衣形態(tài)如圖4所示。3件防彈衣分別被穿透了7層、6層和6層,防彈衣產(chǎn)生了顯著的塑性變形。從圖4(a)可以看到,彈孔的形狀接近正方形,其邊長約為7.2 mm,小于子彈的直徑。被穿透的無緯布呈十字形損傷,十字損傷區(qū)域長度和寬度約為41.2 mm和38.2 mm,這是由于基體失效導(dǎo)致纖維脫粘引起的。由圖4(b)可以發(fā)現(xiàn),彈頭在僅穿透了6層無緯布后就從卵形彈頭變成了扁平狀,這是由于組成彈頭的銅被甲和鉛芯兩種材料強度較低,因此在高速撞擊過程中極易變形,彈丸的侵徹能力也隨之降低。

圖4 防彈衣彈孔形態(tài)(a)和被防彈衣攔截后子彈(b)

分別截取相同時刻3D-DIC軟件分析獲得的BFS形態(tài)和側(cè)面高速攝影拍攝的防彈衣變形,通過兩者對比驗證DIC軟件在大變形分析時的準確性。圖5的對比表明500、1 000和3 000 μs時3D-DIC獲得的BFS高度與側(cè)面高速攝影值相對誤差分別為9.2%、3.4%和2.0%?？傮w來看,兩者鼓包形態(tài)相近,鼓包高度誤差較小,表明3D-DIC分析結(jié)果較為可信。

圖5 3D-DIC BFS側(cè)面高度(a)和側(cè)面高速相機BFS側(cè)面高度 (b)

3 3D-DIC結(jié)果分析

3.1 BFS形態(tài)變化過程

用3D-DIC后處理軟件對第2組試驗拍攝的散斑圖像進行分析處理,得到防彈衣BFS形態(tài)的高速攝影視場(圖6)和BFS三維視圖(圖7)。由圖7可知,變形初期BFS呈菱形,因為彈丸攜帶的能量以沖擊波的形式作用下靶板上,沖擊波主要沿纖維軸向傳播,此時防彈衣的變形沿纖維方向傳播最快。200 μs時BFS對角距離約為83.1 mm,高度為21.6 mm。試驗中使用G型夾將防彈衣的4個角固定在靶架上,因此這4個位置的纖維變形受到限制,導(dǎo)致500 μs后BFS形態(tài)逐漸變?yōu)椤敖鹱炙汀薄? 000 μs時BFS邊長為120.6 mm,高度為44.8 mm。到3 000 μs時,整個防彈衣都產(chǎn)生了顯著的變形,其BFS高度達到60.2 mm。

圖6 3D-DIC高速攝影視場結(jié)果

圖7 3D-DIC三維視圖結(jié)果

溫垚坷等[11]開展的5.8 mm步槍彈侵徹NIJ III級SiC/UHMWPE防彈插板試驗表明:其平均最大BFD高度僅為22.7 mm。因此,僅從背部鼓包高度看,手槍彈侵徹軟質(zhì)防彈衣對人體造成的鈍擊傷有可能比步槍彈侵徹硬質(zhì)防彈衣造成的傷害更嚴重。

由于軟質(zhì)防彈衣試驗狀態(tài)和實際穿戴狀態(tài)不同,試驗狀態(tài)防彈衣背部無靶標,穿戴狀態(tài)人體胸廓給防彈衣提供額外阻抗。另外,試驗中采用G型夾對防彈衣進行了固定,這種固定方式限制了防彈衣的整體運動,會影響B(tài)FS的整體大小,因此二者BFS無法直接比較。但這兩種狀態(tài)下的防彈衣性能不變,因此試驗狀態(tài)下防彈衣BFS大小能從側(cè)面反映出穿戴狀態(tài)下防彈衣BFS大小,從而為揭示鈍擊損傷機理提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)。

3.2 BFS峰值隨時間變化

BFS高度隨時間變化過程可根據(jù)變化趨勢分為3個階段(圖8)。第1階段為前500 μs,BFS高度迅速增加到約32.3 mm,這段曲線斜率約為64.6 m/s,可以看作變形的平均速度。第2階段,BFS高度增長趨勢變緩,在2 000 μs時平均BFS高度達到55.9 mm。第2段曲線的斜率約為15.7 m/s。第3階段的3組試驗出現(xiàn)差異:第2、第3組BFS高度幾乎不再增加,此時可認為BFS達到最大高度,分別為60.2 mm和55.3 mm;第1組防彈衣BFS高度持續(xù)增大,遠超過了第2組和第3組,可能是因為G形夾沒有夾緊,導(dǎo)致防彈衣邊角松脫所致。試驗中,軟質(zhì)防彈衣在達到最大BFS后就基本停止了變形,表明UHMWPE纖維發(fā)生了顯著塑性變形。Zhu[20]采用9 mm鉛芯手槍彈侵徹UHMWPE層合板的試驗表明,BFD在達到最大值14.59 mm后會發(fā)生回彈,最終剩余BFD高度為10.05 mm。兩者雖然都是UHMWPE纖維增強復(fù)合材料,但由于結(jié)構(gòu)形式不同,導(dǎo)致其在槍彈沖擊下的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)有明顯差異。軟質(zhì)防彈衣為了穿著的舒適性,犧牲了部分抗侵徹能力。

圖8 BFS高度曲線

圖9顯示了3組試驗BFS最大位置處的速度變化過程。前150 μs內(nèi),變形速度迅速增大到平均最大值126.3 m/s。這一變形速度與鄭浩[11]獲得的5.8 mm步槍彈侵徹NIJ III級SiC/UHMWPE防彈插板時的變形速度117.7 m/s相近。隨后,變形速度快速減小,500 μs時變形速度約31.7 m/s。之后,變形速度繼續(xù)緩慢減小至0,并出現(xiàn)了反向速度,此過程對應(yīng)了BFS的微弱回彈現(xiàn)象。變形結(jié)束約3 000 μs時,BFS基本停止運動。

圖9 BFS速度曲線

3.3 BFS輪廓變化過程

如圖10(a),在第2組試驗圖片中分別沿 45°和90°做2條過BFS最大點的特征線L0、L1,用于提取過該線垂直于防彈衣的平面上BFS形態(tài)隨時間變化曲線,其中每條曲線表示特定時刻在該平面上BFS的形狀輪廓。

圖10 剖面線的選取(a)、90°方向剖面曲線(b)和45°方向剖面曲線(c)

圖10(b)為90°方向的剖面圖,BFS的剖面圖近似為三角形,大致可分為3個階段。在第1階段,從0～1 000 μs,BFS高度迅速增加。在這個階段凸起沿特征線方向的位移也迅速增加。第2階段,即1 000 μs到2 000 μs,BFS高度的增長減緩,但寬度的增長仍在增加。這些特征表明,凸起區(qū)域的擴展速度開始大于高度增加速度。在第3階段BFS高度和寬度增加幅度都大大降低,在3 000μs時出現(xiàn)最大BFS高度,約為60.2 mm。圖10(c)為45°方向剖面圖,與 90°的相比,二者的最大BFS高度一致,但隨時間的增加,45°方向剖面BFS的寬度逐漸超過90°方向,這主要是由于防彈衣四角被G型夾固定導(dǎo)致的。

3.4 BFS應(yīng)變場

防彈衣背面的vonmises應(yīng)變場如圖11所示,已彈著點為中心應(yīng)變場可分為4個區(qū)域。在每個區(qū)域,vonmises應(yīng)變分布呈L形。這是因為無緯布是正交鋪設(shè)的,纖維在這兩個方向被拉伸。應(yīng)變最大值的位置在每個L型應(yīng)變場的拐點處,即圖12中坐標系的±45°和±135°方向,并隨著時間增加不斷向四周延伸。100 μs時防彈衣的最大vonmises應(yīng)變?yōu)?.13;400 μs時防彈衣的最大vonmises應(yīng)變?yōu)?.27。4個L型應(yīng)變區(qū)中,右邊的2個應(yīng)變區(qū)應(yīng)變較高,可能是因為彈著點靠近防彈衣右側(cè),右側(cè)整體的變形較大。

圖11 防彈衣vonmises應(yīng)變場

圖12 防彈衣剪切應(yīng)變場

防彈衣背面的剪切應(yīng)變場exy如圖12所示,應(yīng)變場仍可分為4個區(qū)域,應(yīng)變分布呈L形。BFS中心的45°方向出現(xiàn)了最大正剪切應(yīng)變,135°方向出現(xiàn)了最大負剪切應(yīng)變。在100 μs時防彈衣的最大正剪切應(yīng)變?yōu)?.02,最大負剪切應(yīng)變?yōu)?0.02;在400 μs時防彈衣的最大正剪切應(yīng)變?yōu)?.15,最大負剪切應(yīng)變?yōu)?0.15。最大剪切應(yīng)變呈現(xiàn)出中心對稱的規(guī)律。

4 BFS預(yù)測模型

為了快速預(yù)測軟質(zhì)防彈衣變形為人體易損性評軟件中的傷道預(yù)測及損傷評估提供更加全面的數(shù)據(jù),本文中以Gauss函數(shù)為基礎(chǔ)建立防彈衣BFS的預(yù)測模型。

Gauss函數(shù)作為一種常用的波峰函數(shù),被廣泛運用于數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)等領(lǐng)域中,其形式為

式中:y0為函數(shù)的基準高度;xc為波峰所對應(yīng)的x坐標;w和A為擬合參數(shù)。本文中在Gauss函數(shù)中加入了時間參量t,其形式為

式中:t為時間參量; B和c為擬合參數(shù)。

使用式(2)對第3組試驗中的100、500、1 000 μs時的防彈衣BFS剖面形態(tài)進行曲線擬合,擬合參數(shù)如表1所示,擬合曲線情況如圖13所示。從圖13中可以看出,輪廓線基本重合,100、500、1 000 μs時最大BFS高度相對誤差分別為0.9%、3.9%和5.6%,整體誤差較低,擬合結(jié)果較好。

表1 擬合參數(shù)

圖13 BFS形狀擬合曲線

假設(shè)BFS為一個圓錐形曲面(忽略纖維增強復(fù)合材料的各向異性)。將擬合曲線旋轉(zhuǎn)360°形成一個曲面,與3D-DIC結(jié)果的BFS形狀、面積與高度進行對比,如圖14所示。1 000 μs時,3D-DIC結(jié)果得出的BFS面積為22 698 mm2,擬合曲面的面積為25 446 mm2,BFS面積的最大相對誤差為12.1%,擬合結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)基本一致。

圖14 BFS形狀與擬合曲面

5 結(jié)論

本文中基于3D-DIC技術(shù)對 9 mm 手槍彈侵徹 UHMWPE 軟質(zhì)防彈衣的過程進行了研究,得到了該過程中軟質(zhì)防彈衣BFS的瞬態(tài)力學(xué)響應(yīng)特性。主要結(jié)論如下:

1) 在侵徹防彈衣后彈頭從卵形變?yōu)榱吮鈭A型;被穿透防彈衣彈孔的形狀接近正方形,彈孔周圍纖維呈十字形損傷,整個防彈衣發(fā)生了較大塑性變形。

2) 變形初期BFS形狀為以沿纖維方向為對角的四棱錐型,受邊界條件影響,后期逐漸變?yōu)榈走吰叫杏诜缽椧逻吘壍摹敖鹱炙汀?。BFS最大值約為60.2 mm,最大變形速度約為126.3 m/s。

3) 防彈衣的應(yīng)變場分為4個L型區(qū)域,最大應(yīng)變在“L”的拐點處;400 μs時防彈衣的最大vonmises應(yīng)變?yōu)?.27,最大正剪切應(yīng)變?yōu)?.15,最大負剪切應(yīng)變?yōu)?0.15。

4) 使用改進的Gauss函數(shù)對防彈衣BFS剖面曲線進行了數(shù)據(jù)擬合;將擬合曲線旋轉(zhuǎn)360°形成曲面,與3D-DIC結(jié)果的BFS面積相比最大相對誤差為12.1%。