劉加凱,李 娜,馬永忠,胡民效

(1 武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院,西安 710086;2 武警工程大學(xué)理學(xué)院,西安 710086)

氣囊動(dòng)能彈致傷效應(yīng)分析*

劉加凱1,李 娜2,馬永忠1,胡民效1

(1 武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院,西安 710086;2 武警工程大學(xué)理學(xué)院,西安 710086)

為考核氣囊動(dòng)能彈的致傷效應(yīng),首先利用控制容積法對(duì)氣囊靜態(tài)充氣膨脹過(guò)程進(jìn)行了仿真分析,所設(shè)計(jì)的氣囊系統(tǒng)能夠在10 ms內(nèi)完成充氣膨脹,形成半軸長(zhǎng)分別為60 mm、60 mm、50 mm的橢球形氣囊。其次,利用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)氣囊動(dòng)能彈以70 m/s、80 m/s、90 m/s的初速對(duì)人體的動(dòng)態(tài)打擊效應(yīng)開(kāi)展了仿真研究,得到了氣囊動(dòng)能彈的打擊效果圖、應(yīng)力分布云圖等,仿真表明速度為80 m/s條件下氣囊動(dòng)能彈具有良好的非致命效應(yīng)和打擊效果。

氣囊動(dòng)能彈;動(dòng)態(tài)打擊;致傷效應(yīng);仿真分析

0 引言

動(dòng)能彈也稱致痛彈,是利用彈丸的飛行動(dòng)能打擊有生目標(biāo),使之致傷致痛,從而失去抵抗能力或行動(dòng)受到抑制的一種防暴彈藥,在國(guó)內(nèi)外軍警執(zhí)行任務(wù)時(shí)具有極高的使用率,如橡膠彈、布袋彈等[1-2]。但這些動(dòng)能彈存在“遠(yuǎn)距離打不上、近距離過(guò)度傷害、容易造成永久性傷害”等缺點(diǎn),嚴(yán)重影響了該類武器性能的充分發(fā)揮[3-4]。

文中設(shè)計(jì)的氣囊動(dòng)能彈是利用38 mm防暴槍發(fā)射的一種新型動(dòng)能彈藥。在氣囊動(dòng)能彈打擊目標(biāo)過(guò)程中,氣囊彈丸瞬間充氣膨脹成為約半個(gè)足球大小的氣囊,利用氣囊的柔性動(dòng)能打擊有生目標(biāo),將其擊倒或擊暈,而又不對(duì)其造成致命或過(guò)度傷害。

文中采用有限元仿真分析的方法對(duì)氣囊動(dòng)能彈的靜態(tài)充氣膨脹過(guò)程和動(dòng)態(tài)打擊效果進(jìn)行仿真分析,研究氣囊膨脹過(guò)程中外形、體積、壓力等參數(shù)的變化情況,以及對(duì)人體打擊的作用效果等。

1 氣囊動(dòng)能彈結(jié)構(gòu)組成及功能分析

氣囊動(dòng)能彈采用發(fā)火控制技術(shù)和氣囊技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的非致命動(dòng)能打擊,主要由彈丸系統(tǒng)、發(fā)射部、藥筒以及相應(yīng)的連接部組成,其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

彈丸系統(tǒng)內(nèi)按照由上到下的順序依次裝有柔性彈頭、氣囊系統(tǒng)、發(fā)火控制裝置、電源和尾翼。彈藥由38 mm防暴槍擊發(fā)后,發(fā)射藥瞬間點(diǎn)燃,彈丸在發(fā)射藥燃?xì)馔屏Φ淖饔孟孪蚯帮w行,同時(shí)發(fā)射藥燃?xì)鈱椡枭习l(fā)火控制裝置中的保險(xiǎn)絲熔斷,使彈藥解除保險(xiǎn)。電源開(kāi)始向發(fā)火控制系統(tǒng)供電,使彈丸處于待發(fā)狀態(tài)。當(dāng)撞擊到人員目標(biāo)瞬間,由于受到減加速度力的作用,發(fā)火控制裝置中的加速度碰撞開(kāi)關(guān)閉合,并向氣囊系統(tǒng)中的氣體發(fā)生器發(fā)出點(diǎn)火信號(hào),氣體發(fā)生器點(diǎn)火并向氣囊內(nèi)迅速充入大量氣體,使氣囊迅速膨脹形成半軸長(zhǎng)分別為60 mm、60 mm、50 mm的橢球形氣囊。利用柔性氣囊飛行中的強(qiáng)大動(dòng)能將人擊倒或擊暈,并能夠有效的防止對(duì)目標(biāo)過(guò)度傷害。

圖1 38 mm氣囊動(dòng)能彈結(jié)構(gòu)剖視圖

2 氣囊靜態(tài)膨脹過(guò)程仿真分析

氣囊動(dòng)能彈是利用氣囊的柔性動(dòng)能對(duì)目標(biāo)實(shí)施打擊的,因此需要對(duì)氣囊的靜態(tài)膨脹過(guò)程和動(dòng)態(tài)致傷效應(yīng)進(jìn)行分析。

本節(jié)采用控制容積法(control volume method,CV)建立氣囊靜態(tài)膨脹過(guò)程仿真模型,對(duì)靜態(tài)條件下氣囊從折疊狀態(tài)到充氣完成的作用過(guò)程進(jìn)行仿真分析,獲得氣囊膨脹過(guò)程中外形、容積等參數(shù)隨時(shí)間的變化情況。

2.1 CV法氣囊模型理論

CV法認(rèn)為氣囊內(nèi)壓力由理想氣體狀態(tài)方程控制,氣囊內(nèi)部氣體滿足[5]:

(1)

式中:P為氣體壓力(Pa);V為氣體體積(m3);n為氣體物質(zhì)的量(mol);R為氣體常數(shù);T為氣體溫度(K);U為氣體內(nèi)能(J);m為氣體質(zhì)量(g);Cv為氣體體積熱容。

當(dāng)氣囊發(fā)生碰撞緩沖運(yùn)動(dòng)時(shí),可看成接觸碰撞模型,可用公式表示為:

(2)

上式中左邊分別表示內(nèi)力、外力、碰撞接觸力以及慣性力。

2.2 氣囊有限元模型建立

假設(shè)氣囊周圍環(huán)境為空氣,充入氣囊內(nèi)氣體為火藥燃?xì)?。氣體發(fā)生器產(chǎn)氣量為0.14 mol,溫度為600 K,速度為當(dāng)?shù)匾羲?時(shí)間為10 ms。根據(jù)產(chǎn)氣量與氣囊容積可計(jì)算出囊內(nèi)氣體密度為1.28×10-8kg/mm3,壓力為2 MPa。

在ANSYS軟件中使用SHELL163單元建立氣囊模型并劃分網(wǎng)格。根據(jù)彈丸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),氣囊采用環(huán)向折疊方法進(jìn)行折疊,如圖2所示。對(duì)于環(huán)向折疊氣囊,由于折疊后的氣囊與折疊前的氣囊其中心圓部分是保持不變的,可以將氣囊分成兩個(gè)部分:折疊區(qū)域和非折疊區(qū)域[6]。

圖2 氣囊網(wǎng)格模型

把所建立的有限元模型生成的K文件導(dǎo)入LS-PREPOST軟件,對(duì)其關(guān)鍵字進(jìn)行修改,設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。氣囊材料的參數(shù)如表1所列。

表1 氣囊的材料模型參數(shù)

主要關(guān)鍵字及其含義如下[7]:

*DATABASE_ABSTAT:定義輸出氣囊內(nèi)部壓力變化、氣囊容積等參數(shù);

*MAT_COMPOSITE_DAMAGE:氣囊材料選用復(fù)合材料,該關(guān)鍵字用于定義復(fù)合材料氣囊的楊氏模量、剪切模量、泊松比等參數(shù);

*SECTION_SHELL:定義殼單元的厚度、積分類型、積分點(diǎn)數(shù)等參數(shù);

*Aribag-SIMPLE_PRESSURE_VOLUME:定義氣囊模型(該模型沒(méi)有排氣泄壓的要求)。

最后,把修改完成的K文件導(dǎo)入求解器中進(jìn)行求解計(jì)算。2.3 有限元仿真及結(jié)果分析

利用ANSYS/LS-DYNA對(duì)所建立的氣囊有限元模型進(jìn)行仿真分析,得到靜態(tài)條件下氣囊在各時(shí)間點(diǎn)的充氣膨脹狀態(tài),如圖3所示。

圖3 氣囊靜態(tài)膨脹過(guò)程仿真圖

從圖3中可以看出,氣囊系統(tǒng)入口處具有較明顯的射流效應(yīng),氣流直接充入氣囊頂部,接觸到氣囊上壁之后形成回流區(qū),氣體從中心推動(dòng)氣袋上片往外展開(kāi),將氣袋一環(huán)環(huán)展開(kāi),能夠更快地展開(kāi)氣囊。當(dāng)達(dá)到8 ms左右時(shí),氣囊基本形成橢球形狀態(tài)。

氣囊容積變化曲線如圖4所示。

圖4 氣囊容積隨時(shí)間變化曲線

由圖4可知,氣囊容積變化曲線可以分為3個(gè)階段:

1)0～1 ms,該時(shí)間段內(nèi)由于氣囊處于折疊狀態(tài),而克服折疊狀態(tài)需要一定的膨脹力,且氣體發(fā)生器處于初始激活狀態(tài),故氣囊容積幾乎不變;

2)1～8 ms,隨著氣體發(fā)生器產(chǎn)氣量的增加,氣囊迅速膨脹,氣囊容積迅速增加;

3)8～11 ms,隨著氣體發(fā)生器的繼續(xù)充氣,氣囊在10 ms左右容積達(dá)到最大值,之后圍繞最大值附近做小幅震蕩,而氣囊內(nèi)的壓力還會(huì)進(jìn)一步增大,直至充氣完畢。

3 氣囊動(dòng)能彈動(dòng)態(tài)致傷效應(yīng)分析

利用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)氣囊動(dòng)能彈的動(dòng)態(tài)打擊過(guò)程進(jìn)行仿真,分析氣囊彈丸以70 m/s、80 m/s、90 m/s三種速度打擊人體時(shí)皮膚所承受的應(yīng)力及其變化趨勢(shì),研究動(dòng)能彈對(duì)人體的致傷效應(yīng)。

3.1 有限元模型建立

在仿真過(guò)程中,氣囊動(dòng)能彈對(duì)人體皮膚的打擊涉及的對(duì)象包括兩部分:彈丸系統(tǒng)和人體皮膚。

為簡(jiǎn)化仿真過(guò)程,將彈丸系統(tǒng)中的發(fā)火控制裝置、彈體外殼、氣體發(fā)生器和尾翼裝置等均簡(jiǎn)略,建立僅包含柔性彈頭和氣囊系統(tǒng)的彈丸模型,其中柔性彈頭為半球體,半徑為18 mm,氣囊系統(tǒng)為規(guī)則圓柱體,直徑為36 mm、長(zhǎng)度為70 mm。

為能清晰地呈現(xiàn)氣囊動(dòng)能彈對(duì)人體皮膚的打擊效果和皮膚上的應(yīng)力分布情況,將皮膚模型簡(jiǎn)化為尺寸為400 mm×400 mm×40 mm的長(zhǎng)方體靶板。

文中采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元SOLID164來(lái)建立柔性彈頭和皮膚模型,采用殼單元SHELL163單元建立氣囊模型,并定義氣囊內(nèi)部的壓力、氣囊容積和材料參數(shù)等。柔性彈頭和皮膚模型選擇*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型,模型參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 橡膠彈頭和人體皮膚的材料模型參數(shù)

由于彈丸模型和皮膚模型都是規(guī)則體,適宜采用映射的方式劃分網(wǎng)格,根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)對(duì)稱性,取整體模型的1/4建模。其中氣囊仍采用氣囊靜態(tài)充氣仿真分析中的網(wǎng)格劃分方法。對(duì)皮膚模型進(jìn)行拆分,細(xì)化碰撞區(qū)域網(wǎng)格尺寸,皮膚模型中心碰撞區(qū)域網(wǎng)格尺寸為2.5 mm,外圍區(qū)域網(wǎng)格尺寸為7.5 mm。皮膚模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)是28 577,單元數(shù)是2 560,劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 彈丸和皮膚模型網(wǎng)格劃分圖

3.2 施加約束條件及定義接觸

1)施加約束條件[8-9]

選取彈丸和皮膚模型Y方向和Z方向?qū)ΨQ面上的所有節(jié)點(diǎn),施加對(duì)稱位移約束。選取皮膚模型施加無(wú)反射邊界條件。然后選擇彈體施加初始速度。

2)定義接觸

采用*AUTOMATIC_GENERAL模擬彈丸和皮膚的接觸關(guān)系,由于氣囊彈丸打擊皮膚接觸面的產(chǎn)生存在一定的不確定性,故選擇單面普通接觸。

為確保彈丸與皮膚接觸時(shí)不發(fā)生貫穿情況,需定義合適的接觸罰剛度。由于人體皮膚和彈丸的彈性模型較小,接觸的表面積也較小,通過(guò)計(jì)算和分析相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)值,設(shè)定接觸罰剛度因子為10。

3.3 動(dòng)能彈動(dòng)態(tài)致傷效應(yīng)仿真分析

利用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)所建立的氣囊動(dòng)能彈有限元模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)打擊過(guò)程仿真分析。經(jīng)過(guò)數(shù)值仿真,得出在70 m/s、80 m/s、90 m/s 3種速度條件下氣囊動(dòng)能彈打擊人體皮膚的作用效果圖和應(yīng)力分布圖,圖6為80 m/s時(shí)的作用效果圖。

圖6 打擊速度為80 m/s時(shí)的作用效果圖

由圖6可知,氣囊動(dòng)能彈的作用效果仿真圖可以將彈丸對(duì)人體的打擊過(guò)程清晰地反映出來(lái)。從圖中可以發(fā)現(xiàn):

1)氣囊動(dòng)能彈在打擊過(guò)程中,彈丸頭部的柔性彈頭首先與人體皮膚相接觸。在接觸皮膚的一瞬間,位于彈丸后部的氣囊系統(tǒng)即開(kāi)始迅速充氣,形成橢球狀氣囊,對(duì)人體皮膚實(shí)施柔性打擊。

2)對(duì)于打擊速度為80 m/s的氣囊彈,在4 ms左右時(shí)氣囊開(kāi)始迅速充氣,8 ms左右充氣基本完成,較70 m/s速度條件下較早充滿氣體。

3)在打擊過(guò)程中,氣囊動(dòng)能彈與皮膚的接觸面積迅速增大,即使有較大的動(dòng)能,其比動(dòng)能也較小,不會(huì)對(duì)皮膚造成貫穿傷害,具有良好的非致命效應(yīng)。

圖7為氣囊動(dòng)能彈以80 m/s的速度打擊人體皮膚時(shí),人體皮膚上的應(yīng)力分布圖。

圖7 打擊速度為80 m/s時(shí)皮膚的應(yīng)力云圖

由圖7可以發(fā)現(xiàn):在碰撞開(kāi)始階段,柔性彈頭首先接觸皮膚,皮膚模型中部區(qū)域應(yīng)力集中明顯,應(yīng)力峰值達(dá)到最大,最大應(yīng)力達(dá)到0.94 MPa。隨著氣囊系統(tǒng)迅速充氣,動(dòng)能彈丸和皮膚模型發(fā)生彈性緩沖變形,人體皮膚上應(yīng)力集中情況趨于緩和,應(yīng)力峰值逐漸變小,當(dāng)?shù)竭_(dá)12 ms左右時(shí),皮膚上的最大應(yīng)力減小為0.64 MPa。皮膚模型上的應(yīng)力分布具有如下特點(diǎn):

1)氣囊彈丸剛接觸皮膚時(shí),由于柔性彈頭形變較小,應(yīng)力主要集中在彈頭的正下方,應(yīng)力大小從作用中心點(diǎn)向四周逐漸減小,主要作用在皮膚的縱深方向上;隨著氣囊的充氣,氣囊體積急劇膨脹,使氣囊與皮膚的接觸面積迅速增大,相應(yīng)的應(yīng)力作用面積也有所增大,此時(shí)的應(yīng)力主要集中在皮膚表面。

2)應(yīng)力作用范圍隨柔性彈頭部分形變和氣囊與人體皮膚接觸面積的增大而有所增大,同時(shí)應(yīng)力也逐漸減小;在氣囊反彈過(guò)程中,人體皮膚的作用應(yīng)力范圍有所減小。

(3)氣囊彈以70 m/s、80 m/s和90 m/s的初速打擊人體皮膚時(shí),其所對(duì)應(yīng)的動(dòng)能分別為98 J、128 J和182 J,雖然動(dòng)能較大,但動(dòng)能衰減非?？?因此皮膚表層不會(huì)發(fā)生破裂和貫穿現(xiàn)象,具有良好的非致命效應(yīng)?？紤]到非致命動(dòng)能彈的最大動(dòng)能不宜大于120 J,故設(shè)定氣囊彈的終點(diǎn)速度應(yīng)不大于80 m/s。

4 結(jié)論

文中主要利用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)氣囊動(dòng)能彈打擊人體皮膚時(shí)的致傷效應(yīng)進(jìn)行了仿真分析。首先,利用控制容積法對(duì)氣囊靜態(tài)充氣膨脹過(guò)程進(jìn)行了仿真分析,所設(shè)計(jì)的氣囊系統(tǒng)能夠在10 ms內(nèi)完成充氣膨脹,形成半軸長(zhǎng)分別為60 mm、60 mm、50 mm大小的橢球形氣囊。其次,重點(diǎn)對(duì)氣囊動(dòng)能彈以70 m/s、80 m/s、90 m/s的初速對(duì)人體的動(dòng)態(tài)打擊效應(yīng)開(kāi)展了仿真研究,得到了氣囊動(dòng)能彈的打擊效果圖、應(yīng)力分布情況等,仿真結(jié)果表明,氣囊動(dòng)能彈在終點(diǎn)速度應(yīng)不大于80 m/s的條件下具有良好的非致命效應(yīng)和打擊效果。

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Wounding Effect Analysis of Airbag Kinetic Energy Ammunition

LIU Jiakai1,LI Na2,MA Yongzhong1,HU Minxiao1

(1 School of Equipment Engineering, Engineering University of CAPF, Xi’an 710086, China; 2 School of Science, Engineering University of CAPF, Xi’an 710086, China)

In order to examine the wounding effect of airbag kinetic energy ammunition, firstly, the control volume method was used to make the simulation analysis of static airbag inflation process. The simulation result demonstrated that the airbag system could finish the inflation within 10 ms, so as to form the ellipsoid airbag which half axle lenghes were 60 mm, 60 mm and 50 mm respectively. Secondly, the ANSYS/LS-DYNA software was utilized to make a dynamic simulation analysis of wounding effect caused by airbag kinetic energy ammunition with 70 m/s, 80 m/s and 90 m/s initial velocity respectively. Then the striking effect diagram and the stress distribution nephogram of airbag kinetic energy ammunition were obtained. The simulation result demonstrated that the airbag kinetic energy ammunition possessesd favorable non-lethal effect and strike effect under the condition of the speed of 80 m/s.

airbag kinetic energy ammunition; dynamic strike; wounding effect; simulation analysis

2016-01-12

劉加凱(1985-),男,河南輝縣人,講師,博士,研究方向:彈藥工程。

TJ43

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