袁夢(mèng)琦，郭亞鑫，錢新明

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

在當(dāng)下，有許多國(guó)家對(duì)槍支交易和使用都實(shí)行較為嚴(yán)格的管控，是中國(guó)和其他許多國(guó)家進(jìn)行突發(fā)事件防范的重要措施，從而導(dǎo)致刀具等管制類物品成為暴恐分子的主要襲擊武器[1-3].通過(guò)對(duì)公共安全領(lǐng)域以及相關(guān)部門的事故統(tǒng)計(jì)資料分析發(fā)現(xiàn)：暴恐分子實(shí)施襲擊的主要工具為匕首、刺刀等具有尖銳部分的利器[4-5].暴恐事件的發(fā)生不但對(duì)廣大人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大的威脅，而且使社會(huì)治安也面臨著重大挑戰(zhàn).作為能夠有效抵御刀具侵徹的個(gè)體防護(hù)裝備的防刺服，仍然存有許多局限性，如質(zhì)量較大、可穿戴性低等缺點(diǎn)[6].因此，研制出具有輕質(zhì)高效、舒適靈活等特點(diǎn)的新型個(gè)體防刺裝備十分重要.

防刺服作為普遍適用的個(gè)體防刺裝備，必須滿足特定的防刺需求，即保護(hù)人體免受匕首、刺刀等利器的侵入傷害，還要保證穿戴者的舒適度與靈活性.由于防彈衣無(wú)法有效抵御刀具等尖銳器具的侵徹，軟質(zhì)防刺服雖然能夠阻擋刀具刺入，但在抵御刀具沖擊的同時(shí)仍會(huì)使人體遭受一定程度的傷害[7-8].為廣大安保人群提供安全有效的個(gè)體防護(hù)裝備，使其在遭受攻擊時(shí)能夠大幅度的減輕傷害，受到政府和公眾的急切關(guān)注.

防刺服按構(gòu)成的材料可分為硬質(zhì)防刺服、半硬半軟質(zhì)防刺服、柔性防刺服、液體防刺服等四類[9].硬質(zhì)防刺服的防刺層主要由金屬材料構(gòu)成，具有良好的防刺性能，但因其質(zhì)量大且剛性強(qiáng)，具有較差的舒適靈活性[10-11].軟質(zhì)防刺服主要由高強(qiáng)度纖維和金屬材料復(fù)合加工制成，不僅質(zhì)量較大而且制作工藝復(fù)雜，舒適性較低.柔性防刺服主要由高性能化學(xué)纖維織造而成，具有輕質(zhì)高強(qiáng)，舒適性高等特點(diǎn)，但在抵御刀具沖擊的同時(shí)也會(huì)對(duì)人體造成一定的傷害[12-15].液體防刺服是將剪切增稠液(STF)滲入到織物中，在一般狀態(tài)下剪切增稠液以液體的形式存在，在遭受劇烈沖擊時(shí)會(huì)立刻轉(zhuǎn)變?yōu)閳?jiān)硬的固體狀物質(zhì)，極大地增強(qiáng)織物的抗沖擊性.當(dāng)沖擊力消失后，剪切增稠液又恢復(fù)至通常的液體狀態(tài)，織物也恢復(fù)柔軟，可穿戴性較強(qiáng).由于剪切增稠液在發(fā)揮作用條件是遭受瞬時(shí)猛烈的高速?zèng)_擊，而在低速穿刺或刀割情況下作用不明顯.而且浸漬的剪切增稠液(STF)會(huì)極大地增加防刺層的質(zhì)量，降低服裝的可穿戴性，因而對(duì)于一般個(gè)體防刺裝備并不適用[16-17].

在長(zhǎng)久的演化當(dāng)中，生物機(jī)體防護(hù)裝甲的結(jié)構(gòu)和形態(tài)在不斷進(jìn)化與完善，重量在不斷地減輕，同時(shí)機(jī)體的運(yùn)動(dòng)速度和靈活度也在逐步地提高和增強(qiáng)[18-23].具有典型生物防護(hù)裝甲的動(dòng)物如穿山甲、鱷魚(yú)、蜥蜴等，如圖1所示.本文針對(duì)目前防刺服的研究現(xiàn)狀，基于袁夢(mèng)琦等[24]在仿生型防刺服領(lǐng)域取得的研究進(jìn)展，進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步優(yōu)化防刺基板，完善防刺服成衣制作.設(shè)計(jì)并提出了新型仿生防刺結(jié)構(gòu)“三棱錐”型防刺基板，通過(guò)改進(jìn)型鈦合金制作成型，極大了降低了防刺層的質(zhì)量與面密度，且具有良好的抗沖擊性能，可穿戴性較高.

1 研究方法

1.1 落錘沖擊數(shù)值模擬

刀具沖擊基板的過(guò)程極快，具有瞬時(shí)性，因而對(duì)于它們的相互作用過(guò)程很難捕捉，而且在落錘沖擊實(shí)驗(yàn)中，刀具的沖擊速度屬于低速范疇，沖擊過(guò)程的力學(xué)響應(yīng)非常重要，需要通過(guò)數(shù)值模擬軟件LS-DYNA對(duì)刀具沖擊基板過(guò)程進(jìn)行再現(xiàn)和分析.在袁夢(mèng)琦等[24]關(guān)于金字塔型防刺基板抗沖擊行為的研究中發(fā)現(xiàn)，基板的防刺性能隨著斜面厚度的增大而增大，但增大到一定程度后，厚度對(duì)防刺性能不再有明顯影響.基板的防刺性能隨著斜面傾斜角度的增大先增大后減小，在達(dá)到最優(yōu)防刺性能的情況下，不同的防刺材料具有不同的最佳傾斜角度.三棱錐型防刺基板的抗穿刺行為與金字塔型防刺基板類似，都是通過(guò)調(diào)整斜面的厚度與傾角的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)異的防刺性能.在預(yù)實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)由鈦合金(TC4)加工而成的厚度一定(1.5 mm)、傾角不同(20.0°、22.5°和25.0°)的3種防刺基板進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)傾角為20.0°的三棱錐型防刺基板發(fā)生了顯著變形，難以重復(fù)測(cè)試.傾角為22.5°和25.0°的三棱錐型防刺基板在較小的變形范圍內(nèi)均有效抵御了刀具的沖擊，但傾角為25.0°的防刺基板表面受損相對(duì)嚴(yán)重.由于傾角越小，防刺基板的面密度越小，結(jié)合不同傾角防刺基板的防刺性能，將由鈦合金(TC4)加工制作而成的三棱錐防刺基板的最佳傾斜角度確定為22.5°.

為進(jìn)一步降低防刺基板的面密度，先通過(guò)模擬探究角度為22.5°，厚度為1 mm的三棱錐防刺基板的抗沖擊性能，如圖2所示.

幾何模型由重錘、刀具、背襯以及三棱錐防刺基板構(gòu)成.防刺基板下底面與背襯上表面重合，重錘位于防刺基板的正上方，刀具刀尖距離背襯15 mm，如圖3所示.

刀具和重錘的材質(zhì)為合金鋼(9Cr18Mo)，材料模型選用線彈性模型.防刺試樣材質(zhì)為鈦合金(TC4)，采用雙線性硬化強(qiáng)度模型.將背襯簡(jiǎn)化為單層幾何模型，材質(zhì)為氯丁橡膠，采用線彈性模型，材料參數(shù)如表1所示.

表1 材料參數(shù)

1.2 沖擊試驗(yàn)測(cè)試

由于傳統(tǒng)制造技術(shù)并不能快速制作出復(fù)雜的仿生型結(jié)構(gòu)，且較長(zhǎng)的成型周期均會(huì)影響研究進(jìn)展.因而采用新型制造模式即3D打印技術(shù)去實(shí)現(xiàn)仿生型防護(hù)裝甲的研發(fā)與制造，既易于成型，又具備較短的打印周期[25-29].通過(guò)前期的理論與模擬分析，最終確定成型的三棱錐防刺基板的結(jié)構(gòu)尺寸.依照中華人民共和國(guó)公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA68-2008警用防刺服標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行落錘沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)試，既能對(duì)前期模擬分析進(jìn)行直觀的檢驗(yàn)，又能針對(duì)防刺基板的破壞形式采取進(jìn)一步改進(jìn).

沖擊測(cè)試儀的主要部分為重錘、刀具和背襯.重錘和刀具的總體質(zhì)量為2.4 kg，刀體的外露長(zhǎng)度為83 ± 2 mm，材質(zhì)為合金鋼(9Cr18Mo)，每把刀使用一次并且依次標(biāo)號(hào).背襯的尺寸為400 mm×400 mm×67 mm，背襯最上方為4層6 mm厚的氯丁橡膠海綿，中間是1層30 mm厚的聚乙烯閉孔泡沫，最下方由2層厚度為6.5 mm的天然橡膠構(gòu)成.根據(jù)刀具沖擊試樣時(shí)的初始速度來(lái)計(jì)算刀具及重錘的放置高度，并用激光測(cè)速儀來(lái)進(jìn)行精確校準(zhǔn)，如圖4所示.

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試3D打印三棱錐型鈦合金防刺基板的防刺性能來(lái)確定防刺基板的基本結(jié)構(gòu)參數(shù).三棱錐角度為22.5°，基板厚度為0.8,1.0,1.2 mm.每種試樣準(zhǔn)備3塊，每塊試樣測(cè)試5次，觀察沖擊后基板的破壞程度，如圖5所示.

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬分析

刀具動(dòng)能在沖擊過(guò)程中絕大部分轉(zhuǎn)化為防刺基板和背襯的內(nèi)能，即二者的變形能.假設(shè)基板和背襯材料的初始內(nèi)能為0，圖6和圖7為刀具和三棱錐防刺基板分別在沖擊過(guò)程中各自內(nèi)能的變化，圖8為刀具在沖擊過(guò)程中動(dòng)能的變化.

三棱錐防刺基板在受到?jīng)_擊時(shí)內(nèi)能迅速增加，速度和峰值遠(yuǎn)高于平板(圖7).由于三棱錐結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊力具有顯著的分散作用，避免了刀具對(duì)基板表面的法向侵徹，通過(guò)這種途徑可以迅速有效地削弱刀具的沖擊能量[30-32].平行于斜面的分力會(huì)在基板表面形成明顯的劃痕，而垂直于斜面的分力則會(huì)使基板產(chǎn)生較為明顯的變形，而這兩種分力的共同作用則會(huì)使刀尖更容易損壞并使刀體產(chǎn)生變形.刀具在沖擊平板的過(guò)程中，由于只受基板表面法向的反作用力，不易產(chǎn)生較大變形.平板在受沖擊的過(guò)程中不易發(fā)生傾斜，得到了背襯均勻有效的支撐，因而變形較小.在刀尖垂直侵徹的過(guò)程中，使接觸面承受巨大的沖擊力，并最終穿透基板.基板和背襯的內(nèi)能是刀具動(dòng)能轉(zhuǎn)化為的變形能.在受到刀具沖擊后基板的內(nèi)能增加越少，表明基板的變形量越小，則刀具破壞作用就越小，基板防刺性能越好.

動(dòng)能為24 J的落錘在沖擊防刺基板的過(guò)程中發(fā)生了顯著的動(dòng)能變化(圖8).落錘的動(dòng)能在迅速下降到最低點(diǎn)后又快速回升，最后趨于穩(wěn)定，其損失的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為防刺基板和背襯的變形能.刀具在侵徹防刺基板初期，動(dòng)能開(kāi)始顯著下降，隨著刀具進(jìn)一步侵徹，防刺基板被不斷破壞.相對(duì)于平板結(jié)構(gòu)，由于刀具在沖擊三棱錐防刺基板的過(guò)程中，刀尖與基板斜面構(gòu)成一定的角度，分解為垂直于斜面和平行于斜面的分力(圖9).在力的相互作用下，當(dāng)平行于斜面的分力大于最大靜摩擦力時(shí)，刀尖會(huì)在斜面上滑動(dòng)并使刀具運(yùn)動(dòng)速度偏離豎直方向，導(dǎo)致落錘的整體沖擊動(dòng)能分散為垂直于斜面的沖擊能量和沿斜面方向的沖擊能量，從而使基板在受沖擊的過(guò)程中發(fā)生一定程度的傾斜.基板的傾斜會(huì)導(dǎo)致背襯受力不均，呈現(xiàn)更大程度的塌陷變形，吸收能量更多，從而對(duì)刀具沖擊能量的削弱更為明顯.由于金屬材料間的劇烈碰撞會(huì)產(chǎn)生大部分變形能以及部分熱能、光能等其它形式的能量，均會(huì)使刀具動(dòng)能快速下降.

圖10和圖11分別為1 mm厚度的三棱錐防刺基板在各個(gè)時(shí)刻的等效應(yīng)力云圖和數(shù)值曲線.圖10所示為防刺基板在經(jīng)受刀具24 J能量動(dòng)態(tài)沖擊時(shí)的等效應(yīng)力變化云圖.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在刀具與基板發(fā)生相互作用的瞬間，防刺基板表面發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象.隨著時(shí)間的推移，在刀具進(jìn)一步下落的過(guò)程中，集中應(yīng)力從接觸中心逐步向周圍擴(kuò)散，應(yīng)力大小也隨之變大，直到達(dá)到最大值661 MPa.當(dāng)?shù)都庠诨灞砻娈a(chǎn)生裂紋后，裂紋繼續(xù)在基板表面?zhèn)鬟f應(yīng)力.對(duì)于垂直于基板表面的應(yīng)力載荷，基板表面的摩擦力對(duì)沖擊行為影響很小.當(dāng)?shù)毒咚俣冉抵?時(shí)，在背襯的彈力作用下，基板和刀具開(kāi)始返向上運(yùn)動(dòng)，應(yīng)力分布開(kāi)始從周圍向基板中間轉(zhuǎn)移.隨著刀具的逐漸上升，基板所受的應(yīng)力逐漸減小，刀具最終沒(méi)有穿透防刺基板.

基板被沖擊的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的變形，鈦合金(TC4)材料屈服強(qiáng)度為895 MPa，從圖12(a)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在刀具與基板表面接觸的部分，刀尖附近的應(yīng)力大小最大約為6.32×104MPa，大于材料屈服強(qiáng)度，因而刀具會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生不斷破壞.從圖中可以看出，在侵徹基板的同時(shí)，刀尖也發(fā)生明顯的變形.在大約4 ms時(shí)，刀具在豎直方向的速度減為0，并在背襯和基板彈力的共同作用下反向運(yùn)動(dòng).當(dāng)?shù)都馀c基板脫離時(shí)，由于刀體自身有較大程度的彎曲(圖12(b))，會(huì)通過(guò)一定幅度的擺動(dòng)進(jìn)行彈塑性恢復(fù)，導(dǎo)致刀體內(nèi)部仍有較大應(yīng)力.

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，厚度為1.0 mm、傾角為22.5°的三棱錐型防刺基板能夠有效抵御刀具的沖擊，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將防刺基板的厚度定為0.8,1.0,1.2 mm.對(duì)3D打印鈦合金三棱錐型防刺基板在不同的基板厚度下進(jìn)行落錘沖擊實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖13所示.對(duì)于0.8 mm厚度的防刺基板，在進(jìn)行第4次落錘沖擊測(cè)試后，刀具穿透基板且基板開(kāi)裂.當(dāng)防刺基板厚度為1.0和1.2 mm時(shí)，5次落錘沖擊試驗(yàn)均未穿透基板.

其中厚度為1.0和1.2 mm的防刺基板面密度分別為4.20和 5.04 kg/m2,意味著0.3 m2的防護(hù)面積要求下，防刺服中防刺層的重量在不加裝連接結(jié)構(gòu)時(shí)可降至1.26 kg.

2.3 成衣制作

通過(guò)前期的研究得到了3D打印仿生型三棱錐防刺基板的最優(yōu)設(shè)計(jì)，三棱錐角度為22.5°，基板厚度為1 mm，三棱錐邊長(zhǎng)為10 mm.防刺服中的防刺層由多塊防刺基板通過(guò)各種連接方式拼接而成，在抗沖擊的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較為顯著的尺寸效應(yīng)，導(dǎo)致整體防刺性能有一定程度的下降.因而在制作防刺層的過(guò)程中，采用了一種改進(jìn)型鈦合金(TC611)材料，該種鈦合金(TC611)材料是將原有的鈦合金(TC4)材料中的組成元素部分替換，通過(guò)退火工藝加工而成.該種鈦合金(TC611)材料成本低，在密度接近的前提下準(zhǔn)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能均優(yōu)于原有鈦合金(TC4).采用改進(jìn)型鈦合金來(lái)模壓成型，既提高了生產(chǎn)效率，也極大地降低了生產(chǎn)成本，并對(duì)基板之間的連接方式進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，將基板拼接為整體防刺層.基于防刺服靈活性和透氣性的考慮，設(shè)計(jì)了一種過(guò)渡結(jié)構(gòu)來(lái)用鉚釘連接防刺基板.由于基板在刀具沖擊過(guò)程中不僅受到刀具的破壞作用和背襯材料的緩沖作用，周圍的連接結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)防刺基板產(chǎn)生明顯的抑制作用.因此連接結(jié)構(gòu)的存在可能會(huì)使單塊基板的防刺性能有所下降.圖14所示為基板連接示意圖以及整體防刺層視圖.基板連接處的弧面結(jié)構(gòu)采取加厚措施以增強(qiáng)防刺性能.

圖15為通過(guò)模壓成型將改進(jìn)型鈦合金制成防刺服防刺層的實(shí)體圖.防刺層選用三棱錐結(jié)構(gòu)22.5°和厚度1 mm的基板.整個(gè)防刺服的防刺層具備了較好的靈活性，彎曲程度比較高，與人體較為貼合.同時(shí)，連接處空隙的存在，加強(qiáng)了整個(gè)防刺層的透氣性，使服裝熱濕舒適性有所提高.

在落錘沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，每一次刀具的沖擊能量都被完全吸收而刀具并未穿過(guò)防刺層，證明防刺層完全滿足防刺性能要求.防刺層整體的面密度為4.5 kg/m2,在符合0.3 m2的防護(hù)面積要求下，防刺服中防刺層整體重量可降至1.35 kg.

3 結(jié) 論

對(duì)防刺服的防刺層結(jié)構(gòu)提出了新型設(shè)計(jì)方案，即“三棱錐”型仿生型防刺結(jié)構(gòu).采用3D打印新型制造技術(shù)進(jìn)行前期的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與探究來(lái)確定防刺基板的結(jié)構(gòu)尺寸，通過(guò)開(kāi)模成型最終制造出相應(yīng)的防刺層，并依照警用防刺服標(biāo)準(zhǔn)GA 68-2008進(jìn)行落錘沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)試.結(jié)論如下：

① 基于模擬與3D打印三棱錐型基板的防刺性能測(cè)試結(jié)果，采用開(kāi)模成型的方法，制造出三棱錐型仿生型防刺層，并進(jìn)行刀具沖擊測(cè)試.結(jié)果表明三棱錐型防刺基板具備極好的防刺性能，即1 mm厚度防刺層能抵御24 J刀具的沖擊破壞，符合國(guó)標(biāo)GA 68—2008要求.

② 采用鉚釘與過(guò)渡弧面將防刺基板設(shè)計(jì)拼接為防刺服的防刺層，具備較高的靈活性和透氣性，并通過(guò)增加連接處弧面的厚度來(lái)提高防刺層的防刺性能.

③ 3D打印三棱錐型鈦合金防刺基板的厚度為1 mm時(shí)，基板的面密度為4.2 kg/m2.采用改進(jìn)型鈦合金模壓成型制作的整體防刺層面密度為4.5 kg/m2,在符合0.3 m2的防護(hù)面積要求下，防刺服中防刺層整體重量可降至1.35 kg，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有硬質(zhì)防刺服的重量.