破片形状对躯干损伤程度的影响研究

在保持破片动能(78 J)、质量(3 g)、密度(17.56 g/cm3)、速度(228 m/s)、尺寸和命中部位(有骨骼)不变的情况下,研究不同破片形状对人体躯干的损伤情况,即球形、圆柱形、方形时,数值模拟结果如图7.12、图7.13和表7.7所示。

表7.7　破片形状对人体躯干损伤的影响

图7.12显示了不同破片形状下,破片正向运动速度衰减为0后停留在人体躯干中的位置或击穿心脏后的位置。可以看出:球形破片可以击入心脏但不会击穿,其击入心脏的深度为0.63 cm,最终于1 594μs时停留在肌肉和心脏接触面处。然而,柱形破片和方形破片均未击入心脏,最终分别于828μs和760μs时停留在肌肉中。因此,三种形状的破片均对人体躯干造成了盲管伤。

破片形状对人体躯干损伤的影响主要是由破片的阻力系数决定的,而阻力系数又由形状系数决定。破片的形状系数与其阻力面积呈正相关,球形、柱形和方形破片的马赫数均为0.67,柱形破片长径比和方形破片的长宽比均为1,根据破片阻力系数与马赫数之间的关系,则球形破片的阻力系数最小,其次是柱形破片,而方形破片的阻力系数最大。因此,对于形状系数较大的柱形破片和方形破片,其在人体躯干组织中的速度衰减快,传递给组织的能量也就越多,但其穿透性差,造成的空腔短。形状系数越大的破片,其稳定性越差。相对于球形破片,柱形破片和方形破片会产生非常明显的失稳现象,从而形成更为复杂的伤道,尽管造成的空腔长度比球形破片小,但空腔开口尺寸却比球形破片大,故形状系数大的破片在击入人体躯干组织的较短距离上能释放大量能量,并形成浅而宽的伤道。

通常来说,人体躯干损伤程度随空腔容积的增大而增大,如果只考虑破片是否击入心脏和空腔长度,而不考虑空腔开口尺寸,则球形破片对人体躯干造成的损伤较大,但从破片稳定性和空腔开口尺寸的角度看,则柱形破片和方形破片造成的损伤更大。

柱形破片和方形破片在射击人体躯干的过程中均产生了明显的失稳,其失稳现象主要是由破片运动方向的变化造成的,并且主要产生在人体躯干软组织中。从图7.12中的空腔形状可以看出,在破片侵彻人体躯干组织的初期,球形破片、柱形破片和方形破片均没有明显的失稳现象,运动轨迹较为平稳;但破片击穿胸骨后,由于破片运动方向的变化,柱形破片和方形破片开始产生明显的失稳现象,运动轨迹发生偏移,并在人体躯干肌肉组织中产生明显的翻滚现象,而球形破片则继续保持较为稳定的运动状态,其运动轨迹没有发生太大的偏移,近似为一条直线。

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图7.12　不同形状的破片在人体躯干中的运动状态

(a)S-78-228-3-0.69;(b)C-78-228-3-0.60;(c)F-78-228-3-0.55

图7.13显示了不同形状的破片在人体躯干中的运动规律。球形破片、柱形破片和方形破片均不能击穿心脏,但球形破片可以击入心脏0.63 cm,剩余速度和剩余动能均为0,空腔长度分别为9.27 cm、5.01 cm和5.86 cm。由此可以得出,破片形状系数越小,则破片越容易击穿心脏,击穿心脏后的剩余动能和剩余速度越大,人体躯干组织中形成的空腔长度也越大。

图7.13　破片形状对破片运动规律的影响

(a)破片动能变化曲线;(b)破片速度变化曲线;(c)破片位移变化曲线

数值模拟结果表明:当破片动能、质量、速度、尺寸和命中部位一定时,破片形状会显著影响人体躯干的损伤程度,影响规律为破片形状系数越大,则破片能量衰减越快,造成的空腔长度越小,故破片对人体躯干造成的损伤越轻。