氣囊動能彈致傷效應分析*

劉加凱,李 娜,馬永忠,胡民效

(1 武警工程大學裝備工程學院,西安 710086;2 武警工程大學理學院,西安 710086)

氣囊動能彈致傷效應分析*

劉加凱1,李 娜2,馬永忠1,胡民效1

(1 武警工程大學裝備工程學院,西安 710086;2 武警工程大學理學院,西安 710086)

為考核氣囊動能彈的致傷效應,首先利用控制容積法對氣囊靜態充氣膨脹過程進行了仿真分析,所設計的氣囊系統能夠在10 ms內完成充氣膨脹,形成半軸長分別為60 mm、60 mm、50 mm的橢球形氣囊。其次,利用ANSYS/LS-DYNA軟件對氣囊動能彈以70 m/s、80 m/s、90 m/s的初速對人體的動態打擊效應開展了仿真研究,得到了氣囊動能彈的打擊效果圖、應力分布云圖等,仿真表明速度為80 m/s條件下氣囊動能彈具有良好的非致命效應和打擊效果。

氣囊動能彈;動態打擊;致傷效應;仿真分析

0 引言

動能彈也稱致痛彈,是利用彈丸的飛行動能打擊有生目標,使之致傷致痛,從而失去抵抗能力或行動受到抑制的一種防暴彈藥,在國內外軍警執行任務時具有極高的使用率,如橡膠彈、布袋彈等[1-2]。但這些動能彈存在“遠距離打不上、近距離過度傷害、容易造成永久性傷害”等缺點,嚴重影響了該類武器性能的充分發揮[3-4]。

文中設計的氣囊動能彈是利用38 mm防暴槍發射的一種新型動能彈藥。在氣囊動能彈打擊目標過程中,氣囊彈丸瞬間充氣膨脹成為約半個足球大小的氣囊,利用氣囊的柔性動能打擊有生目標,將其擊倒或擊暈,而又不對其造成致命或過度傷害。

文中采用有限元仿真分析的方法對氣囊動能彈的靜態充氣膨脹過程和動態打擊效果進行仿真分析,研究氣囊膨脹過程中外形、體積、壓力等參數的變化情況,以及對人體打擊的作用效果等。

1 氣囊動能彈結構組成及功能分析

氣囊動能彈采用發火控制技術和氣囊技術實現對目標的非致命動能打擊,主要由彈丸系統、發射部、藥筒以及相應的連接部組成,其總體結構如圖1所示。

彈丸系統內按照由上到下的順序依次裝有柔性彈頭、氣囊系統、發火控制裝置、電源和尾翼。彈藥由38 mm防暴槍擊發后,發射藥瞬間點燃,彈丸在發射藥燃氣推力的作用下向前飛行,同時發射藥燃氣將彈丸上發火控制裝置中的保險絲熔斷,使彈藥解除保險。電源開始向發火控制系統供電,使彈丸處于待發狀態。當撞擊到人員目標瞬間,由于受到減加速度力的作用,發火控制裝置中的加速度碰撞開關閉合,并向氣囊系統中的氣體發生器發出點火信號,氣體發生器點火并向氣囊內迅速充入大量氣體,使氣囊迅速膨脹形成半軸長分別為60 mm、60 mm、50 mm的橢球形氣囊。利用柔性氣囊飛行中的強大動能將人擊倒或擊暈,并能夠有效的防止對目標過度傷害。

圖1 38 mm氣囊動能彈結構剖視圖

2 氣囊靜態膨脹過程仿真分析

氣囊動能彈是利用氣囊的柔性動能對目標實施打擊的,因此需要對氣囊的靜態膨脹過程和動態致傷效應進行分析。

本節采用控制容積法(control volume method,CV)建立氣囊靜態膨脹過程仿真模型,對靜態條件下氣囊從折疊狀態到充氣完成的作用過程進行仿真分析,獲得氣囊膨脹過程中外形、容積等參數隨時間的變化情況。

2.1 CV法氣囊模型理論

CV法認為氣囊內壓力由理想氣體狀態方程控制,氣囊內部氣體滿足[5]:

(1)

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

當氣囊發生碰撞緩沖運動時,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

假設氣囊周圍環境為空氣,充入氣囊內氣體為火藥燃氣。氣體發生器產氣量為0.14 mol,溫度為600 K,速度為當地音速,時間為10 ms。根據產氣量與氣囊容積可計算出囊內氣體密度為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格。根據彈丸系統結構特點,氣囊采用環向折疊方法進行折疊,如圖2所示。對于環向折疊氣囊,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部分:折疊區域和非折疊區域[6]。

圖2 氣囊網格模型

把所建立的有限元模型生成的K文件導入LS-PREPOST軟件,對其關鍵字進行修改,設置相應的參數。氣囊材料的參數如表1所列。

表1 氣囊的材料模型參數

主要關鍵字及其含義如下[7]:

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

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

*SECTION_SHELL:定義殼單元的厚度、積分類型、積分點數等參數;

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

最后,把修改完成的K文件導入求解器中進行求解計算。2.3 有限元仿真及結果分析

利用ANSYS/LS-DYNA對所建立的氣囊有限元模型進行仿真分析,得到靜態條件下氣囊在各時間點的充氣膨脹狀態,如圖3所示。

圖3 氣囊靜態膨脹過程仿真圖

從圖3中可以看出,氣囊系統入口處具有較明顯的射流效應,氣流直接充入氣囊頂部,接觸到氣囊上壁之后形成回流區,氣體從中心推動氣袋上片往外展開,將氣袋一環環展開,能夠更快地展開氣囊。當達到8 ms左右時,氣囊基本形成橢球形狀態。

氣囊容積變化曲線如圖4所示。

圖4 氣囊容積隨時間變化曲線

由圖4可知,氣囊容積變化曲線可以分為3個階段:

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

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

3)8～11 ms,隨著氣體發生器的繼續充氣,氣囊在10 ms左右容積達到最大值,之后圍繞最大值附近做小幅震蕩,而氣囊內的壓力還會進一步增大,直至充氣完畢。

3 氣囊動能彈動態致傷效應分析

利用ANSYS/LS-DYNA軟件對氣囊動能彈的動態打擊過程進行仿真,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皮膚所承受的應力及其變化趨勢,研究動能彈對人體的致傷效應。

3.1 有限元模型建立

在仿真過程中,氣囊動能彈對人體皮膚的打擊涉及的對象包括兩部分:彈丸系統和人體皮膚。

為簡化仿真過程,將彈丸系統中的發火控制裝置、彈體外殼、氣體發生器和尾翼裝置等均簡略,建立僅包含柔性彈頭和氣囊系統的彈丸模型,其中柔性彈頭為半球體,半徑為18 mm,氣囊系統為規則圓柱體,直徑為36 mm、長度為70 mm。

為能清晰地呈現氣囊動能彈對人體皮膚的打擊效果和皮膚上的應力分布情況,將皮膚模型簡化為尺寸為400 mm×400 mm×40 mm的長方體靶板。

文中采用八節點六面體單元SOLID164來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,并定義氣囊內部的壓力、氣囊容積和材料參數等。柔性彈頭和皮膚模型選擇*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型,模型參數見表2。

表2 橡膠彈頭和人體皮膚的材料模型參數

由于彈丸模型和皮膚模型都是規則體,適宜采用映射的方式劃分網格,根據幾何結構對稱性,取整體模型的1/4建模。其中氣囊仍采用氣囊靜態充氣仿真分析中的網格劃分方法。對皮膚模型進行拆分,細化碰撞區域網格尺寸,皮膚模型中心碰撞區域網格尺寸為2.5 mm,外圍區域網格尺寸為7.5 mm。皮膚模型的節點數是28 577,單元數是2 560,劃分結果如圖5所示。

圖5 彈丸和皮膚模型網格劃分圖

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方向對稱面上的所有節點,施加對稱位移約束。選取皮膚模型施加無反射邊界條件。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系,由于氣囊彈丸打擊皮膚接觸面的產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不發生貫穿情況,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,通過計算和分析相關的經驗值,設定接觸罰剛度因子為10。

3.3 動能彈動態致傷效應仿真分析

利用ANSYS/LS-DYNA軟件對所建立的氣囊動能彈有限元模型進行動態打擊過程仿真分析。經過數值仿真,得出在70 m/s、80 m/s、90 m/s 3種速度條件下氣囊動能彈打擊人體皮膚的作用效果圖和應力分布圖,圖6為80 m/s時的作用效果圖。

圖6 打擊速度為80 m/s時的作用效果圖

由圖6可知,氣囊動能彈的作用效果仿真圖可以將彈丸對人體的打擊過程清晰地反映出來。從圖中可以發現:

1)氣囊動能彈在打擊過程中,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即開始迅速充氣,形成橢球狀氣囊,對人體皮膚實施柔性打擊。

2)對于打擊速度為80 m/s的氣囊彈,在4 ms左右時氣囊開始迅速充氣,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)在打擊過程中,氣囊動能彈與皮膚的接觸面積迅速增大,即使有較大的動能,其比動能也較小,不會對皮膚造成貫穿傷害,具有良好的非致命效應。

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

圖7 打擊速度為80 m/s時皮膚的應力云圖

由圖7可以發現:在碰撞開始階段,柔性彈頭首先接觸皮膚,皮膚模型中部區域應力集中明顯,應力峰值達到最大,最大應力達到0.94 MPa。隨著氣囊系統迅速充氣,動能彈丸和皮膚模型發生彈性緩沖變形,人體皮膚上應力集中情況趨于緩和,應力峰值逐漸變小,當到達12 ms左右時,皮膚上的最大應力減小為0.64 MPa。皮膚模型上的應力分布具有如下特點:

1)氣囊彈丸剛接觸皮膚時,由于柔性彈頭形變較小,應力主要集中在彈頭的正下方,應力大小從作用中心點向四周逐漸減小,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,相應的應力作用面積也有所增大,此時的應力主要集中在皮膚表面。

2)應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,同時應力也逐漸減小;在氣囊反彈過程中,人體皮膚的作用應力范圍有所減小。

(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,其所對應的動能分別為98 J、128 J和182 J,雖然動能較大,但動能衰減非?？?因此皮膚表層不會發生破裂和貫穿現象,具有良好的非致命效應?？紤]到非致命動能彈的最大動能不宜大于120 J,故設定氣囊彈的終點速度應不大于80 m/s。

4 結論

文中主要利用ANSYS/LS-DYNA軟件對氣囊動能彈打擊人體皮膚時的致傷效應進行了仿真分析。首先,利用控制容積法對氣囊靜態充氣膨脹過程進行了仿真分析,所設計的氣囊系統能夠在10 ms內完成充氣膨脹,形成半軸長分別為60 mm、60 mm、50 mm大小的橢球形氣囊。其次,重點對氣囊動能彈以70 m/s、80 m/s、90 m/s的初速對人體的動態打擊效應開展了仿真研究,得到了氣囊動能彈的打擊效果圖、應力分布情況等,仿真結果表明,氣囊動能彈在終點速度應不大于80 m/s的條件下具有良好的非致命效應和打擊效果。

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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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