一种新型仿生型防刺服的基板设计与防刺机理探究

袁梦琦，郭亚鑫，钱新明

(北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081)

在当下，有许多国家对枪支交易和使用都实行较为严格的管控，是中国和其他许多国家进行突发事件防范的重要措施，从而导致刀具等管制类物品成为暴恐分子的主要袭击武器[1-3].通过对公共安全领域以及相关部门的事故统计资料分析发现：暴恐分子实施袭击的主要工具为匕首、刺刀等具有尖锐部分的利器[4-5].暴恐事件的发生不但对广大人民群众的生命财产安全造成了巨大的威胁，而且使社会治安也面临着重大挑战.作为能够有效抵御刀具侵彻的个体防护装备的防刺服，仍然存有许多局限性，如质量较大、可穿戴性低等缺点[6].因此，研制出具有轻质高效、舒适灵活等特点的新型个体防刺装备十分重要.

防刺服作为普遍适用的个体防刺装备，必须满足特定的防刺需求，即保护人体免受匕首、刺刀等利器的侵入伤害，还要保证穿戴者的舒适度与灵活性.由于防弹衣无法有效抵御刀具等尖锐器具的侵彻，软质防刺服虽然能够阻挡刀具刺入，但在抵御刀具冲击的同时仍会使人体遭受一定程度的伤害[7-8].为广大安保人群提供安全有效的个体防护装备，使其在遭受攻击时能够大幅度的减轻伤害，受到政府和公众的急切关注.

防刺服按构成的材料可分为硬质防刺服、半硬半软质防刺服、柔性防刺服、液体防刺服等四类[9].硬质防刺服的防刺层主要由金属材料构成，具有良好的防刺性能，但因其质量大且刚性强，具有较差的舒适灵活性[10-11].软质防刺服主要由高强度纤维和金属材料复合加工制成，不仅质量较大而且制作工艺复杂，舒适性较低.柔性防刺服主要由高性能化学纤维织造而成，具有轻质高强，舒适性高等特点，但在抵御刀具冲击的同时也会对人体造成一定的伤害[12-15].液体防刺服是将剪切增稠液(STF)渗入到织物中，在一般状态下剪切增稠液以液体的形式存在，在遭受剧烈冲击时会立刻转变为坚硬的固体状物质，极大地增强织物的抗冲击性.当冲击力消失后，剪切增稠液又恢复至通常的液体状态，织物也恢复柔软，可穿戴性较强.由于剪切增稠液在发挥作用条件是遭受瞬时猛烈的高速冲击，而在低速穿刺或刀割情况下作用不明显.而且浸渍的剪切增稠液(STF)会极大地增加防刺层的质量，降低服装的可穿戴性，因而对于一般个体防刺装备并不适用[16-17].

在长久的演化当中，生物机体防护装甲的结构和形态在不断进化与完善，重量在不断地减轻，同时机体的运动速度和灵活度也在逐步地提高和增强[18-23].具有典型生物防护装甲的动物如穿山甲、鳄鱼、蜥蜴等，如图1所示.本文针对目前防刺服的研究现状，基于袁梦琦等[24]在仿生型防刺服领域取得的研究进展，进行深入研究，进一步优化防刺基板，完善防刺服成衣制作.设计并提出了新型仿生防刺结构“三棱锥”型防刺基板，通过改进型钛合金制作成型，极大了降低了防刺层的质量与面密度，且具有良好的抗冲击性能，可穿戴性较高.

1 研究方法

1.1 落锤冲击数值模拟

刀具冲击基板的过程极快，具有瞬时性，因而对于它们的相互作用过程很难捕捉，而且在落锤冲击实验中，刀具的冲击速度属于低速范畴，冲击过程的力学响应非常重要，需要通过数值模拟软件LS-DYNA对刀具冲击基板过程进行再现和分析.在袁梦琦等[24]关于金字塔型防刺基板抗冲击行为的研究中发现，基板的防刺性能随着斜面厚度的增大而增大，但增大到一定程度后，厚度对防刺性能不再有明显影响.基板的防刺性能随着斜面倾斜角度的增大先增大后减小，在达到最优防刺性能的情况下，不同的防刺材料具有不同的最佳倾斜角度.三棱锥型防刺基板的抗穿刺行为与金字塔型防刺基板类似，都是通过调整斜面的厚度与倾角的大小来实现最优异的防刺性能.在预实验中，通过对由钛合金(TC4)加工而成的厚度一定(1.5 mm)、倾角不同(20.0°、22.5°和25.0°)的3种防刺基板进行落锤冲击试验测试，发现倾角为20.0°的三棱锥型防刺基板发生了显著变形，难以重复测试.倾角为22.5°和25.0°的三棱锥型防刺基板在较小的变形范围内均有效抵御了刀具的冲击，但倾角为25.0°的防刺基板表面受损相对严重.由于倾角越小，防刺基板的面密度越小，结合不同倾角防刺基板的防刺性能，将由钛合金(TC4)加工制作而成的三棱锥防刺基板的最佳倾斜角度确定为22.5°.

为进一步降低防刺基板的面密度，先通过模拟探究角度为22.5°，厚度为1 mm的三棱锥防刺基板的抗冲击性能，如图2所示.

几何模型由重锤、刀具、背衬以及三棱锥防刺基板构成.防刺基板下底面与背衬上表面重合，重锤位于防刺基板的正上方，刀具刀尖距离背衬15 mm，如图3所示.

刀具和重锤的材质为合金钢(9Cr18Mo)，材料模型选用线弹性模型.防刺试样材质为钛合金(TC4)，采用双线性硬化强度模型.将背衬简化为单层几何模型，材质为氯丁橡胶，采用线弹性模型，材料参数如表1所示.

表1 材料参数

1.2 冲击试验测试

由于传统制造技术并不能快速制作出复杂的仿生型结构，且较长的成型周期均会影响研究进展.因而采用新型制造模式即3D打印技术去实现仿生型防护装甲的研发与制造，既易于成型，又具备较短的打印周期[25-29].通过前期的理论与模拟分析，最终确定成型的三棱锥防刺基板的结构尺寸.依照中华人民共和国公共安全行业标准GA68-2008警用防刺服标准进行落锤冲击实验测试，既能对前期模拟分析进行直观的检验，又能针对防刺基板的破坏形式采取进一步改进.

冲击测试仪的主要部分为重锤、刀具和背衬.重锤和刀具的总体质量为2.4 kg，刀体的外露长度为83 ± 2 mm，材质为合金钢(9Cr18Mo)，每把刀使用一次并且依次标号.背衬的尺寸为400 mm×400 mm×67 mm，背衬最上方为4层6 mm厚的氯丁橡胶海绵，中间是1层30 mm厚的聚乙烯闭孔泡沫，最下方由2层厚度为6.5 mm的天然橡胶构成.根据刀具冲击试样时的初始速度来计算刀具及重锤的放置高度，并用激光测速仪来进行精确校准，如图4所示.

通过实验测试3D打印三棱锥型钛合金防刺基板的防刺性能来确定防刺基板的基本结构参数.三棱锥角度为22.5°，基板厚度为0.8,1.0,1.2 mm.每种试样准备3块，每块试样测试5次，观察冲击后基板的破坏程度，如图5所示.

2 结果与讨论

2.1 模拟分析

刀具动能在冲击过程中绝大部分转化为防刺基板和背衬的内能，即二者的变形能.假设基板和背衬材料的初始内能为0，图6和图7为刀具和三棱锥防刺基板分别在冲击过程中各自内能的变化，图8为刀具在冲击过程中动能的变化.

三棱锥防刺基板在受到冲击时内能迅速增加，速度和峰值远高于平板(图7).由于三棱锥结构对冲击力具有显著的分散作用，避免了刀具对基板表面的法向侵彻，通过这种途径可以迅速有效地削弱刀具的冲击能量[30-32].平行于斜面的分力会在基板表面形成明显的划痕，而垂直于斜面的分力则会使基板产生较为明显的变形，而这两种分力的共同作用则会使刀尖更容易损坏并使刀体产生变形.刀具在冲击平板的过程中，由于只受基板表面法向的反作用力，不易产生较大变形.平板在受冲击的过程中不易发生倾斜，得到了背衬均匀有效的支撑，因而变形较小.在刀尖垂直侵彻的过程中，使接触面承受巨大的冲击力，并最终穿透基板.基板和背衬的内能是刀具动能转化为的变形能.在受到刀具冲击后基板的内能增加越少，表明基板的变形量越小，则刀具破坏作用就越小，基板防刺性能越好.

动能为24 J的落锤在冲击防刺基板的过程中发生了显著的动能变化(图8).落锤的动能在迅速下降到最低点后又快速回升，最后趋于稳定，其损失的动能转化为防刺基板和背衬的变形能.刀具在侵彻防刺基板初期，动能开始显著下降，随着刀具进一步侵彻，防刺基板被不断破坏.相对于平板结构，由于刀具在冲击三棱锥防刺基板的过程中，刀尖与基板斜面构成一定的角度，分解为垂直于斜面和平行于斜面的分力(图9).在力的相互作用下，当平行于斜面的分力大于最大静摩擦力时，刀尖会在斜面上滑动并使刀具运动速度偏离竖直方向，导致落锤的整体冲击动能分散为垂直于斜面的冲击能量和沿斜面方向的冲击能量，从而使基板在受冲击的过程中发生一定程度的倾斜.基板的倾斜会导致背衬受力不均，呈现更大程度的塌陷变形，吸收能量更多，从而对刀具冲击能量的削弱更为明显.由于金属材料间的剧烈碰撞会产生大部分变形能以及部分热能、光能等其它形式的能量，均会使刀具动能快速下降.

图10和图11分别为1 mm厚度的三棱锥防刺基板在各个时刻的等效应力云图和数值曲线.图10所示为防刺基板在经受刀具24 J能量动态冲击时的等效应力变化云图.从图中可以发现，在刀具与基板发生相互作用的瞬间，防刺基板表面发生应力集中现象.随着时间的推移，在刀具进一步下落的过程中，集中应力从接触中心逐步向周围扩散，应力大小也随之变大，直到达到最大值661 MPa.当刀尖在基板表面产生裂纹后，裂纹继续在基板表面传递应力.对于垂直于基板表面的应力载荷，基板表面的摩擦力对冲击行为影响很小.当刀具速度降至0时，在背衬的弹力作用下，基板和刀具开始返向上运动，应力分布开始从周围向基板中间转移.随着刀具的逐渐上升，基板所受的应力逐渐减小，刀具最终没有穿透防刺基板.

基板被冲击的过程中会产生较大的变形，钛合金(TC4)材料屈服强度为895 MPa，从图12(a)发现，应力集中现象主要出现在刀具与基板表面接触的部分，刀尖附近的应力大小最大约为6.32×104MPa，大于材料屈服强度，因而刀具会对材料产生不断破坏.从图中可以看出，在侵彻基板的同时，刀尖也发生明显的变形.在大约4 ms时，刀具在竖直方向的速度减为0，并在背衬和基板弹力的共同作用下反向运动.当刀尖与基板脱离时，由于刀体自身有较大程度的弯曲(图12(b))，会通过一定幅度的摆动进行弹塑性恢复，导致刀体内部仍有较大应力.

2.2 实验结果

通过数值模拟结果可以发现，厚度为1.0 mm、倾角为22.5°的三棱锥型防刺基板能够有效抵御刀具的冲击，因此在实验过程中，将防刺基板的厚度定为0.8,1.0,1.2 mm.对3D打印钛合金三棱锥型防刺基板在不同的基板厚度下进行落锤冲击实验，结果如图13所示.对于0.8 mm厚度的防刺基板，在进行第4次落锤冲击测试后，刀具穿透基板且基板开裂.当防刺基板厚度为1.0和1.2 mm时，5次落锤冲击试验均未穿透基板.

其中厚度为1.0和1.2 mm的防刺基板面密度分别为4.20和 5.04 kg/m2,意味着0.3 m2的防护面积要求下，防刺服中防刺层的重量在不加装连接结构时可降至1.26 kg.

2.3 成衣制作

通过前期的研究得到了3D打印仿生型三棱锥防刺基板的最优设计，三棱锥角度为22.5°，基板厚度为1 mm，三棱锥边长为10 mm.防刺服中的防刺层由多块防刺基板通过各种连接方式拼接而成，在抗冲击的过程中会产生较为显著的尺寸效应，导致整体防刺性能有一定程度的下降.因而在制作防刺层的过程中，采用了一种改进型钛合金(TC611)材料，该种钛合金(TC611)材料是将原有的钛合金(TC4)材料中的组成元素部分替换，通过退火工艺加工而成.该种钛合金(TC611)材料成本低，在密度接近的前提下准静态及动态力学性能均优于原有钛合金(TC4).采用改进型钛合金来模压成型，既提高了生产效率，也极大地降低了生产成本，并对基板之间的连接方式进行设计优化，将基板拼接为整体防刺层.基于防刺服灵活性和透气性的考虑，设计了一种过渡结构来用铆钉连接防刺基板.由于基板在刀具冲击过程中不仅受到刀具的破坏作用和背衬材料的缓冲作用，周围的连接结构会对防刺基板产生明显的抑制作用.因此连接结构的存在可能会使单块基板的防刺性能有所下降.图14所示为基板连接示意图以及整体防刺层视图.基板连接处的弧面结构采取加厚措施以增强防刺性能.

图15为通过模压成型将改进型钛合金制成防刺服防刺层的实体图.防刺层选用三棱锥结构22.5°和厚度1 mm的基板.整个防刺服的防刺层具备了较好的灵活性，弯曲程度比较高，与人体较为贴合.同时，连接处空隙的存在，加强了整个防刺层的透气性，使服装热湿舒适性有所提高.

在落锤冲击实验测试中，每一次刀具的冲击能量都被完全吸收而刀具并未穿过防刺层，证明防刺层完全满足防刺性能要求.防刺层整体的面密度为4.5 kg/m2,在符合0.3 m2的防护面积要求下，防刺服中防刺层整体重量可降至1.35 kg.

3 结 论

对防刺服的防刺层结构提出了新型设计方案，即“三棱锥”型仿生型防刺结构.采用3D打印新型制造技术进行前期的实验测试与探究来确定防刺基板的结构尺寸，通过开模成型最终制造出相应的防刺层，并依照警用防刺服标准GA 68-2008进行落锤冲击实验测试.结论如下：

① 基于模拟与3D打印三棱锥型基板的防刺性能测试结果，采用开模成型的方法，制造出三棱锥型仿生型防刺层，并进行刀具冲击测试.结果表明三棱锥型防刺基板具备极好的防刺性能，即1 mm厚度防刺层能抵御24 J刀具的冲击破坏，符合国标GA 68—2008要求.

② 采用铆钉与过渡弧面将防刺基板设计拼接为防刺服的防刺层，具备较高的灵活性和透气性，并通过增加连接处弧面的厚度来提高防刺层的防刺性能.

③ 3D打印三棱锥型钛合金防刺基板的厚度为1 mm时，基板的面密度为4.2 kg/m2.采用改进型钛合金模压成型制作的整体防刺层面密度为4.5 kg/m2,在符合0.3 m2的防护面积要求下，防刺服中防刺层整体重量可降至1.35 kg，远低于现有硬质防刺服的重量.