单兵防弹衣对穿甲破片的防护效应研究

邹 渝，李曙光，肖 南

单兵防弹衣对穿甲破片的防护效应研究

邹 渝，李曙光，肖 南

目的：针对单兵面临的穿甲破片威胁，研究单兵防弹衣对穿甲破片的防护问题，为防弹衣论证设计、单兵综合防护和战场救护等相关研究提供支撑。方法：分析单兵防弹衣现状，归纳当前防弹衣采用的主要防弹材料。对穿甲弹击中装甲车辆后形成破片过程进行描述，给出穿甲破片的质量和速度特性规律。以此为基础，采用ANSYS/LSDYNA有限元分析软件，对穿甲破片侵彻防弹衣过程进行仿真，分析其防护效应。结果：穿甲破片能够对单兵防弹衣形成较强冲击，部分破片侵彻防弹衣后，仍能致伤。结论：防弹衣应进一步提高防护能力，应采用软质材料以减少冲击。

单兵防弹衣；穿甲破片；防护效应

0 引言

单兵防弹衣主要用于防止弹头和破片侵入人体，保护单兵胸、腹、颈等部位免受伤害。与警用防弹衣主要防止弹头侵入不同，单兵防弹衣面临弹头和破片双重威胁。从战场伤情统计来看，破片伤比例明显高于弹头致伤[1]。尤其是对于胸、腹部破片伤，创伤弹道情况复杂，手术难度较大，伤员收治后死亡率高[2]。按照单兵遂行机动作战任务要求，单兵以建制内装甲车辆实施机动成为常态。单兵乘车战斗过程中，穿甲破片对防弹衣的冲击、侵彻和贯穿成为新威胁。研究单兵防弹衣对穿甲破片的防护效应对于提高单兵防护水平、优化防弹衣设计和科学确定救治策略都具有重要现实价值。

1 单兵防弹衣及防弹材料

单兵防弹衣分为硬体、软体和复合3类。硬体防弹衣以金属或者非金属为主要防弹材料，通过“硬”方式抵御弹头和破片。软体防弹衣通常以特殊纤维为主要防弹材料，柔韧性、比强度和比模量都较高。复合防弹衣综合采用软硬体材料，通常以软体材料为内衬，硬体材料为夹层或者插板。单兵防弹衣防弹机理主要有2个方面，一是将弹头或破片直接弹开；二是吸收消耗弹头或破片的动能，阻止其侵入人体。

目前，美军典型防弹衣有美军改进型外穿战术防护背心（improved outer tactical vest，IOTV）、改进型模块战术防护背心（improved modular tactical vest，IMTV）、单兵插板携行系统（soldier plate carrier system，SPCS）等。我国单兵防弹衣研究从20世纪50年代开始，包含了81式、TF90-54、TF90-79等多种类型[3]，基本形成了功能完备、种类多样、性能较好的体系。

防弹材料是防弹衣的基础，主要可以分为硬质和软质2种，典型防弹材料见表1[4-7]。

由于枪弹和破片杀伤效能提高，新技术不断应用，防弹材料防护能力不断增强。特别是为适应机动作战要求，防弹材料正向轻型化方向发展。防弹材料性能评价主要有弹道性能指数、临界穿透速度、穿透层数、防弹等级和弹道极限等。弹道极限主要描述冲击物冲击速度与贯穿概率之间的关系，有V0、V50、V90等评价指标。其中，V50是最有代表性和最为通用的指标，指贯穿概率为50%时的冲击速度。北约STANAG2920、美国MIL-STD-662F和我国GJB 4300—2002对V50测试弹体、测试装置和测试方法等都有各自界定。其中，美军战车乘员防弹衣防破片V50为495 m/s[1]。

表1 典型防弹材料

2 穿甲破片形成过程及特性

从战场威胁角度讲，能够侵彻和贯穿装甲车辆的破片较多，如榴弹、导弹战斗部、穿甲弹等。从弹药设计角度讲，穿甲弹主要用于穿透装甲，其破片是车内单兵主要威胁。

2.1 穿甲破片形成过程

典型穿甲弹有普通穿甲弹、超速穿甲弹、旋转式脱壳穿甲弹和杆式脱壳穿甲弹4种类型，其结构和性能各有差异。穿甲材料类型较多，有35CrMnSiA、Cr3NiMo、60Cr2MoA、钨合金和铀合金等[8-9]。穿甲弹侵彻能力和侵彻体的动能、直径、结构、形状、着靶角度和姿态等相关，破片形成大致过程如图1所示[10]。通常情况下，穿甲破片质量轻、数量大，形状不规则，杀伤效果明显。

图1 穿甲破片形成情况

2.2 穿甲破片特性

穿甲破片特性不仅与穿甲弹类型有关，还受靶材质影响。就装甲车辆而言，相比坦克装甲厚度较薄，可以作为薄靶进行研究。穿甲弹形成的穿甲破片一部分留在靶内，更多的通过贯穿装甲车辆装甲进入车内，对单兵（乘、载员）造成伤害。留在靶内的破片特性可以通过Poncelet阻力定律推导[11]。通过对多种材料靶统计分析，贯穿装甲后破片速度满足式（1）。

式（1）中，k、α、β、γ和λ为与破片材料相关的常数；弹丸射向与靶法线夹角θ单位为°；vs为着靶速度，单位为m/s；vr为出靶速度，单位为m/s；靶厚度T单位为cm；破片平均着靶面积单位为cm2；破片质量mf单位为g。

式（1）中忽略了贯穿过程中破片质量损失，这在高速条件下是允许的。对于低速贯穿情况，其质量损失满足

式（2）中，ms为着靶时破片质量，单位为g；mr为出靶时破片质量，单位为g；c、α、β、γ和λ为与破片材料相关的常数。

3 穿甲破片侵彻单兵防弹衣仿真

依据穿甲破片质量和速度特性，结合单兵防弹衣防护性能测试标准与要求，建立穿甲破片模型。结合防弹衣及其材料实际，选用某特殊钢硬体防弹衣为仿真对象。以ANSYS/LS-DYNA为仿真软件，对单兵防弹衣防护穿甲破片侵彻过程进行有限元分析。

3.1 仿真模型

由于目前我国军用防弹衣安全技术性能要求（GJB 4300—2002）中对测试用破片要求较为简单，故按照国际惯例选用美军标准Mil-P-46593A中破片进行仿真。选用标准中2型质量为1.1 g、长度为5.56 mm的模拟破片进行建模。防弹衣仿真模型中涉及装备战术技术性能，其形状、厚度和材料特性在此略去。仿真模型如图2所示。

3.2 仿真过程

破片速度为300～900 m/s，入射角度（破片轴向与防弹衣切线方向夹角）为90、60、45和30°。在建立仿真模型基础上，进一步设置破片初始速度选项、有限元分析时间、结果输出步数和输出关键字文件。对关键字文件进行修改，改变材料相关的关键字段，并添加接触控制和接触刚度关键字，输出K文件。由于选用的破片模型是轴对称的，为减少计算量，选用其1/4部分进行仿真，分析受力情况。按照上述参数范围，仿真次数为120，利用LSDYNA Solver进行求解，并用LSPREPOST进行结果处理。

图2 基于ANSYS/LS-DYNA建立的仿真模型

3.3 结果分析

从有限元分析情况来看，破片角度和速度对仿真结果影响较大。从120组仿真结果可以看出，该防弹衣可以对大部分穿甲破片实施有效防护。破片侵彻防弹衣过程中可能出现断裂，形成二次破片，贯穿防弹衣。小部分高速破片由于动能较大，能够直接贯穿防弹衣。破片侵彻防弹衣过程中，防弹衣法向受力变化情况如图3所示。

图3 单兵防弹衣法向侵彻力变化情况

由于穿甲破片形状特殊，相对于标准破片而言，对于防弹衣侵彻贯穿效果会更加明显。特别是一些高能穿甲弹能够产生动能较大的微小破片，能够直接贯穿防弹衣危害单兵机体。仿真试验中部分贯穿破片速度较高，大于伤害机体的临界着速，能够对单兵造成盲管伤，甚至形成贯通伤。同时，装甲车辆被穿甲弹击中后，破片形态呈雾状分布（如图1所示），破片在较短时间间隔内侵彻防弹衣，能够对防弹衣及单兵形成硬冲击。鉴于以上分析，需在以下方面加以努力。

（1）考虑单兵防弹衣防护穿甲破片需要，应进一步提高单兵防弹衣防护性能；

（2）为避免单兵受破片贯穿防弹衣后效应作用，防弹衣可以采用软质材料减少冲击；

（3）根据装甲步兵致伤规律，应合理配置战位箱创伤处理敷料，同时提高单兵盲管伤和贯通伤自救互救技能。

4 结论

穿甲破片是单兵战斗中面临的现实威胁，单兵防弹衣对破片防护后，破片后效应作用明显，仍能使单兵致伤。为便于仿真试验，对部分条件进行了假设，结果还需要实弹进行验证。需要综合分析不同类型穿甲弹破片特性，建立单兵防弹衣防破片的测试要求、方法和评价指标。试验中仅对特殊钢硬质防弹衣进行了有限元分析，对于采用软质材料和复合材料的防弹衣对穿甲破片的防护问题，还需要今后深入研究。

[1]张建春，张华鹏.军用盔甲[M].北京：长城出版社，2003：149，179.

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（收稿：2015-05-02 修回：2015-08-14）

Study on protective effect of individual bullet-proof cloth against armor-piercing fragments

ZOU Yu1,2,LI Shu-guang2,XIAO Nan2
（1.Teaching and Research Section of Equipment Application,Department of Teaching and Research,Shijiazhuang Mechanized Infantry Academy,Shijiazhuang 050083,China;2.The Ninth Research Department,Daping Hospital& Institute of Surgery,the Third Military Medical University,Chongqing 400042,China）

Objective To analyze the protective effect of individual bullet-proof cloth against armor-piercing fragments to provide references for the demonstration and design of the cloth,individual comprehensive protection and field medical care.Methods The present situation and the ballistic materials of the individual bullet-proof cloth were described.The formation process of the armor-piercing fragments after the armor piercer hit the armored vehicle,and the laws for the fragment weight and speed were put forward.ANSYS/LS-DYNA finite element analysis software was used to simulate the process of the fragments penetrating into the cloth and to analyze the protective effect of the cloth.Results The fragments had strong impact to the cloth,and might hurt the body after penetrating the cloth.Conclusion The bullet-proof cloth has to adopt soft materials to enhance protective ability.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（11）：36-38]

individual bullet-proof cloth;armor-piercing fragment;protective effect

R318.6；R82；TS941.73

A

1003-8868（2015）11-0036-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.11.036

邹 渝（1986—），男，讲师，主要从事军事装备学、人机工效学方面的研究工作，E-mail：icezouhe@sina.com。

050083石家庄，石家庄机械化步兵学院教研部装备运用教研室（邹 渝）；400042重庆，第三军医大学大坪医院野战外科研究所第九研究室（邹 渝，李曙光，肖 南）

李曙光，E-mail：shuguang555@gmail.com