复合防弹结构的出色防弹性能分析

假设手枪弹以515 m/s的初速度射击人体躯干。图9.12为手枪弹对复合防弹结构的冲击过程,图9.13为手枪弹速度,以及复合防弹结构和人体躯干总能量变化曲线。

根据图9.12和图9.13,手枪弹正向运动速度于68μs时衰减为0,随后开始进行反向运动,最大反向运动速度为60.74 m/s。产生反向运动的原因是由于TPU属于弹性体橡胶,且皮肤和肌肉也具有弹性。当手枪弹速度衰减为0后,受压缩的TPU、皮肤和肌肉会回弹,从而将部分能量传递给手枪弹,使手枪弹获得动能而进行反向运动。

图9.12　手枪弹对复合防弹结构的冲击过程

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图9.13　复合防弹结构的防弹性能

(a)手枪弹速度变化曲线;(b)复合防弹结构和人体躯干能量变化曲线

复合防弹结构吸收的最大总能量为208.00 J,而人体躯干吸收的最大总能量为37.02 J。复合防弹结构吸收的能量要比人体躯干吸收的能量大得多。一方面是复合防弹结构受到手枪弹的直接射击,承受了大部分的手枪弹能量,相反,人体未受到手枪弹的直接射击,吸收的能量较小;另一方面是由于复合防弹结构背板为TPU,可以起到缓冲作用,从而削弱了复合防弹结构对人体躯干的冲击作用,因此,复合防弹结构吸收了较多的能量,而传递较少的能量给人体躯干,起到了防护作用。

防弹结构主要是通过自身的变形或碎裂来吸收手枪弹的部分动能,并将其转化为自身内能和动能。由图9.12可以看到,在手枪弹的冲击作用下,复合防弹结构产生变形并凹陷,甚至碎裂,其中AlSi10 Mg主要以碎裂为主,而TPU则以压缩变形为主。

数值模拟结果表明:复合防弹结构未被手枪弹击穿,且皮肤的最大凹陷深度为4.98 mm,小于标准规定的25 mm或44 mm,则复合防弹结构可以有效降低手枪弹的杀伤力,并保护人体躯干免受损伤。同时,可以发现皮肤凹陷深度较小,这是由于人体躯干对复合防弹结构起到的支撑作用,尤其是骨骼,其刚度、阻尼较大。