熊漫漫， 閆文敏， 徐誠， 覃彬， 馬雪姣

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094;2.中國兵器工業(yè)第208研究所 瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102202)

0 引言

創(chuàng)傷彈道學(xué)主要研究殺傷元在靶體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、殺傷效應(yīng)及作用機(jī)理，對于武器彈藥的設(shè)計(jì)、效能評估、創(chuàng)傷鑒定及治療處理等方面都具有重要意義。創(chuàng)傷彈道試驗(yàn)研究通常選用結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、物理效應(yīng)與人體目標(biāo)相似的模擬材料來代替人體，以獲取科學(xué)穩(wěn)定、可重復(fù)的殺傷效應(yīng)。常用的模擬人體靶標(biāo)材料有動(dòng)物、肥皂、明膠、膠泥等，其中明膠密度與人體肌肉接近，透明態(tài)且具有一定彈性，殺傷元侵徹下產(chǎn)生與肌肉相近的物理效應(yīng)(如瞬時(shí)空腔效應(yīng)、壓力波傳遞效應(yīng)、殺傷元翻滾、破碎效應(yīng)等)，是目前最常用的靶標(biāo)材料。明膠主要用來模擬人體肌肉，而對于反恐防暴用非致命動(dòng)能彈，其速度一般低于300 m/s，通常打擊作用于生物皮膚表面和皮下脂肪，生物皮膚的存在對其侵徹與否、速度衰減與反彈狀態(tài)等影響非常顯著。因此皮膚靶標(biāo)材料的研究對建立完善的模擬人體靶標(biāo)結(jié)構(gòu)和非致命殺傷效能評估十分必要。

Jussila等在開展模擬皮膚靶標(biāo)材料研究時(shí)，選用天然橡膠、合成橡膠和不同處理方式的鹿皮、牛皮與豬皮，進(jìn)行拉伸和極限穿透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)一種鉻鞣牛皮與30歲成年男性前胸皮膚力學(xué)性能較接近，厚0.9～1.1 mm，4.5 mm鉛丸射擊的極限穿透速度為90.7 m/s，拉伸強(qiáng)度(20.89±4.11)MPa，斷裂伸長率(61±9)%. Ali等選取腈橡膠、鹿皮、牛皮等進(jìn)行4.5 mm鋼球的極限穿透速度測試，試驗(yàn)中腈橡膠的極限穿透速度與人體皮膚的比較接近。Bir等進(jìn)行非致命彈評估模擬皮膚材料研究，開展麂皮、麂皮- 泡沫、聚乙烯、聚乙烯醇等模擬皮膚靶標(biāo)帶尾翼橡皮彈的極限穿透試驗(yàn)，最終確定的模擬皮膚靶標(biāo)為天然麂皮加0.6 cm的閉孔泡沫，其50%侵徹的比動(dòng)能與人體死尸(PMHS)前胸區(qū)域50%侵徹的比動(dòng)能(23.99 J/cm)接近。另外，模擬顱腦靶標(biāo)研究中，Thali等構(gòu)建了一種硅橡膠- 人造纖維- 聚氨酯中空球- 明膠頭部靶標(biāo)模型，以硅橡膠模擬頭皮。Das等以1.6 mm厚硅橡膠和1 mm厚Lorica皮革(外層包裹聚氨酯的聚酰胺織物)模擬頭皮，5 mm厚含血液模擬物的開孔聚氨酯泡沫模擬皮下軟組織。北大西洋公約組織標(biāo)準(zhǔn)AEP-94規(guī)定非致命動(dòng)能彈評估用模擬皮膚靶標(biāo)為1.39 mm羊皮加6 mm封閉的蜂窩狀泡沫塑料，而Anctil則考慮天然皮革的性能一致性和可重復(fù)性差，且閉孔泡沫材料無法準(zhǔn)確定義描述，認(rèn)為可以用400 μm熱塑性聚氨酯替代北大西洋公約組織標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的模擬人體皮膚結(jié)構(gòu)，但熱塑性聚氨酯為高彈高韌的高分子材料，失效應(yīng)變高達(dá)5～8，與人體皮膚相差較遠(yuǎn)，目前國際上關(guān)于皮膚靶標(biāo)無一致性結(jié)論和使用標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)針對模擬皮膚靶標(biāo)的研究較少，通常采用國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 4380—2002槍用防暴橡皮彈檢驗(yàn)驗(yàn)收規(guī)則和GJB/Z 20262—95防暴動(dòng)能彈威力標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的25 mm厚松木板、120 g/m牛皮紙作為考核非致命防暴彈藥威力效能的靶標(biāo)，但其應(yīng)力- 應(yīng)變特性與損傷失效方式與真實(shí)皮膚差距較大，且不能反映作用的全過程特性。覃彬等、Xiong等在進(jìn)行非致命動(dòng)能彈效能評估時(shí)，以2 mm厚牛皮為皮膚模擬靶標(biāo)開展彈道試驗(yàn)，結(jié)果表明模擬皮膚與人體典型部位皮膚具有相近的彈道極限，且表現(xiàn)出與生物表皮相近的“水波效應(yīng)”。以往研究主要以極限穿透速度或比動(dòng)能為表征量來評估模擬皮膚靶標(biāo)與人體皮膚的相似性，認(rèn)為牛皮是較為合適的模擬皮膚靶標(biāo)材料，但牛皮的力學(xué)性能和彈道損傷特點(diǎn)與人體皮膚是否也相似還存在疑問。

為了探究牛皮與人體皮膚相似性，本文通過開展力學(xué)性能、彈道損傷效應(yīng)試驗(yàn)、彈道極限試驗(yàn)，對牛皮的彈道損傷特性進(jìn)行研究，并與人體皮膚進(jìn)行對比分析。

1 力學(xué)與彈道試驗(yàn)方法

1.1 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)

選取5種不同紋理、厚度的牛皮進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)型號為日本島津公司生產(chǎn)的AGS-X10 kN，最大載荷10 kN，荷載精度為0.5%. 試件形狀為骨形，如圖1所示，寬度為10 mm，標(biāo)距為50 mm，加載方式為定速加載，加載速度為10 mm/min. 試驗(yàn)前使用金屬板材進(jìn)行夾具同軸度校準(zhǔn)，同時(shí)標(biāo)定和校準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)輸出荷載。

圖1 拉伸試驗(yàn)試件尺寸示意圖Fig.1 Shape of tensile test specimen

1.2 彈道試驗(yàn)

1.2.1 靶標(biāo)

彈道試驗(yàn)靶標(biāo)為兩種：一種是質(zhì)量為50 kg±5 kg、健康狀態(tài)良好的長白豬，用于開展損傷效應(yīng)試驗(yàn)研究；一種是牛皮- 明膠復(fù)合靶標(biāo)，用于開展彈道極限和損傷效應(yīng)試驗(yàn)，牛皮為鉻鞣的頭層牛皮，用于模擬人體皮膚，明膠用于模擬人體肌肉組織。牛皮裁剪為300 mm×300 mm，明膠為由質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%明膠粉末和90%水混合水浴加熱制得，并于試驗(yàn)前在4 ℃保溫箱中保溫24 h，制備過程參考文獻(xiàn)[22]，明膠尺寸300 mm×300 mm×150 mm. 牛皮貼在明膠表面并使用彈性扎帶固定，如圖2所示為牛皮- 明膠復(fù)合靶標(biāo)。

圖2 牛皮- 明膠復(fù)合靶標(biāo)Fig.2 Cowhide-gelatin composite target

1.2.2 試驗(yàn)用彈和發(fā)射裝置

試驗(yàn)用彈為鋼球和橡皮彈，參數(shù)如表1所示，其中鋼球用于極限穿透試驗(yàn)，橡皮彈用于損傷效應(yīng)試驗(yàn)。采用氣動(dòng)發(fā)射裝置發(fā)射，通過控制壓力調(diào)節(jié)彈頭速度，彈頭速度范圍80～300 m/s. 極限穿透試驗(yàn)射擊時(shí)應(yīng)滿足彈著點(diǎn)之間的距離、彈著點(diǎn)與靶標(biāo)邊緣的距離、不小于3倍彈徑，否則無效，、、如圖3所示。

表1 試驗(yàn)用彈參數(shù)Tab.1 Parameters of test bullet

圖3 有效射擊模式Fig.3 Valid shot pattern

1.2.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)系統(tǒng)包括氣動(dòng)發(fā)射裝置、試驗(yàn)用彈、測速靶、靶標(biāo)。試驗(yàn)布置如圖4所示。記錄射擊速度、彈著點(diǎn)位置、離體牛皮和活體動(dòng)物損傷特征、侵徹深度等，其中離體牛皮和活體動(dòng)物損傷特征尺寸取損傷區(qū)域最大直徑與最小直徑的平均值，結(jié)束后調(diào)節(jié)彈頭初速，進(jìn)行下一發(fā)射擊。

圖4 試驗(yàn)布置圖Fig.4 Experimental arrangement

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)特性

皮膚在單軸拉伸應(yīng)力下的破壞過程分為3個(gè)階段: 1) 第1階段，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力緩慢增加，低應(yīng)力下膠原纖維從無序狀態(tài)向有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變；2) 第2階段，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力線性提高，纖維內(nèi)的膠原蛋白分子由有序狀態(tài)變?yōu)槔鞝顟B(tài)；3) 第3階段斷裂，膠原纖維的結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆破壞。如圖5所示定義材料的物理特征量：失效應(yīng)力和失效應(yīng)變分別為材料斷裂時(shí)對應(yīng)的最大應(yīng)力和應(yīng)變；應(yīng)變能密度為單位體積材料失效所需的能量，數(shù)值為曲線與橫坐標(biāo)的面積；彈性模量數(shù)值為曲線線性段的斜率大小。試樣的工程應(yīng)力、工程應(yīng)變和應(yīng)變能密度的計(jì)算分別為

(1)

(2)

(3)

式中：為拉伸載荷；為牛皮初始橫截面積；Δ為拉伸變形量；為試樣標(biāo)距長度。

圖5 牛皮典型應(yīng)力- 應(yīng)變曲線Fig.5 Typical stress-strain curve of cowhide

圖6 牛皮拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線Fig.6 Tensile stress-strain curves of cowhide

圖6為5種牛皮拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線，圖7為Annaidh等PMHS背部皮膚的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線，二者均為典型的3段式，曲線具有相近的趨勢變化：先緩慢上升、然后線性上升、最后急速下降。表2所示為上述5種牛皮的力學(xué)性能參數(shù)，表3為文獻(xiàn)[8,23-25]中關(guān)于PMHS背部、胸腹部、四肢皮膚拉伸試驗(yàn)結(jié)果。對比牛皮和PMHS不同部位皮膚力學(xué)性能平均值可以得出，牛皮的應(yīng)變能密度、失效強(qiáng)度、失效應(yīng)變與PMHS皮膚相差分別為6.56%、6.17%和-4.31%，表明牛皮與人體皮膚力學(xué)特性比較接近。

圖7 典型PMHS皮膚拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線[24]Fig.7 PHMS back skin tensile stress-strain curves[24]

表2 牛皮力學(xué)參數(shù)

表3 PMHS皮膚力學(xué)參數(shù)Tab.3 Mechanical parameters of PMHS skin

圖8 橡皮彈打擊下動(dòng)物皮膚表面與牛皮表面 典型損傷形貌Fig.8 Typical damage characteristics of creature and cowhide under the impact of the rubber bullet

2.2 彈道損傷特點(diǎn)和特征尺寸

橡皮彈打擊動(dòng)物時(shí)，動(dòng)物表面會留下可見傷情，典型損傷形貌如圖8(a)所示，動(dòng)物表面損傷區(qū)域從內(nèi)到外分為皮損區(qū)、血腫區(qū)(蒼白區(qū))、紅暈區(qū)，其中血腫區(qū)由原蒼白區(qū)充血形成，蒼白區(qū)與紅暈區(qū)界限明顯，損傷分區(qū)效應(yīng)顯著。其中彈著點(diǎn)中心處，皮膚剝落，剝落區(qū)直徑與橡皮彈直徑接近。橡皮彈打擊牛皮- 明膠靶標(biāo)，牛皮表面發(fā)生損傷變形，典型損傷特點(diǎn)如圖8(b)所示，損傷區(qū)域從內(nèi)到外分為凹陷區(qū)、剝落區(qū)、褶皺區(qū)，損傷分區(qū)效應(yīng)明顯。其中彈著點(diǎn)中心處，牛皮無明顯損傷，但存在一定凹陷，凹陷區(qū)域直徑小于彈頭直徑；彈著點(diǎn)外側(cè)，牛皮呈現(xiàn)環(huán)形損傷，環(huán)形區(qū)域內(nèi)皮屑剝落，環(huán)形區(qū)域直徑與橡皮彈直徑相近。

圖9和圖10分別為橡皮彈以不同速度打擊下動(dòng)物和牛皮- 明膠靶標(biāo)的損傷形貌，不同速度打擊下動(dòng)物和牛皮表面損傷特征尺寸如表4和圖11所示。隨著橡皮彈速度增加：動(dòng)物皮損區(qū)直徑幾乎不變，血腫區(qū)和紅暈區(qū)直徑逐漸增大；牛皮的剝落區(qū)直徑幾乎不變，但剝落程度逐漸嚴(yán)重，環(huán)形損傷外側(cè)牛皮呈現(xiàn)褶皺，褶皺區(qū)直徑逐漸增大。橡皮彈打擊目標(biāo)時(shí)目標(biāo)發(fā)生變形，打擊瞬間產(chǎn)生極大剪切應(yīng)力，若剪切應(yīng)力造成的變形超過材料的極限應(yīng)變，與之直接接觸的皮膚發(fā)生剝落，皮膚剝落范圍與橡皮彈直徑相關(guān)。從橡皮彈打擊動(dòng)物的高速攝影可以發(fā)現(xiàn)，彈著點(diǎn)周圍皮膚發(fā)生褶皺，并向四周擴(kuò)散，推測其形成機(jī)制與拉伸壓縮協(xié)同作用機(jī)制相關(guān)，動(dòng)物表面血腫區(qū)與牛皮褶皺區(qū)的形成與該機(jī)制相關(guān)。

圖9 不同速度橡皮彈打擊動(dòng)物表面損傷形貌[4]Fig.9 Creature damage characteristics under different impacting velocities[4]

圖10 不同速度橡皮彈打擊牛皮表面損傷形貌Fig.10 Cowhide damage characteristics under different impacting velocities

對比動(dòng)物(豬)和牛皮的沖擊損傷特征，由圖11可知，二者均表現(xiàn)出典型的分區(qū)損傷形貌，損傷尺寸特征一致，即皮損區(qū)和剝落區(qū)直徑均與彈徑相當(dāng)，而血腫區(qū)和褶皺區(qū)直徑與橡皮彈比動(dòng)能正相關(guān)。動(dòng)物的血腫區(qū)直徑隨比動(dòng)能的變化速率高于牛皮褶皺區(qū)直徑，這主要是由于動(dòng)物活體皮膚血管豐富、細(xì)胞活動(dòng)、生理響應(yīng)敏銳，而牛皮為加工后的非活體動(dòng)物組織，對外界荷載的響應(yīng)敏銳性低于動(dòng)物活體。

2.3 極限穿透速度

基于以往的PMHS彈道試驗(yàn)結(jié)果，一些研究者推斷皮膚穿透性與彈體的截面密度相關(guān)，并提出如表5所示4種極限穿透速度的經(jīng)驗(yàn)公式。對比不同經(jīng)驗(yàn)公式與PMHS彈道試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)驗(yàn)公式3和經(jīng)驗(yàn)公式4能較好地?cái)M合和預(yù)估PMHS皮膚的極

表4 橡皮彈不同速度打擊下動(dòng)物和牛皮表面 損傷特征尺寸Tab.4 Damage characteristic dimensions of creature and cowhide under different impacting velocities

圖11 損傷特征區(qū)域直徑隨橡皮彈比動(dòng)能變化曲線Fig.11 Change of diameter of damage characteristic zone with specific kinetic energy

表5 人體皮膚不同極限穿透速度經(jīng)驗(yàn)方程擬合結(jié)果

限穿透閾值，其中為彈頭極限穿透速度，為彈頭截面密度，=，為彈頭質(zhì)量，為彈頭橫截面積。以6 mm鋼球彈作為測試用彈，以兩組經(jīng)驗(yàn)公式為基礎(chǔ)對模擬皮膚與真實(shí)皮膚的相似性進(jìn)行評估。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式3，6 mm鋼球極限穿透速度為118.80 m/s，極限比動(dòng)能為21.90 J/cm，而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式4，6 mm鋼球極限穿透速度為103.74 m/s，極限比動(dòng)能為16.70 J/cm.

6 mm鋼球打擊牛皮- 明膠復(fù)合靶標(biāo)，采用Boltzmann模型分析牛皮穿透風(fēng)險(xiǎn)(POP)和鋼球比動(dòng)能之間的關(guān)系，其函數(shù)形式為

(4)

式中：()為鋼球穿透牛皮的概率，定義鋼球完全穿透牛皮或鋼球進(jìn)入明膠為1，鋼球未進(jìn)入明膠為0；為鋼球比動(dòng)能；是50穿透概率下對應(yīng)的比動(dòng)能；、為擬合函數(shù)的常數(shù)量。

圖12和表6為6 mm鋼球打擊4種牛皮(見表2中牛皮1～牛皮4)的穿透試驗(yàn)結(jié)果?；贐oltzmann模型，計(jì)算得出牛皮的50%穿透概率比動(dòng)能范圍為26.28～28.36 J/cm，平均值為27.56 J/cm，而經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的比動(dòng)能平均值為19.30 J/cm，二者的相對誤差為29.97%. 對比人體皮膚和牛皮的極限穿透比動(dòng)能，牛皮高于人體皮膚(經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出)，考慮經(jīng)驗(yàn)公式主要基于PMHS彈道試驗(yàn)，試驗(yàn)樣本主要為病亡或年齡較大的死尸，推測其穿透比動(dòng)能數(shù)據(jù)會相對比較保守。

圖12 不同牛皮的穿透概率Fig.12 Perforation probability curves of different cowhides

表6 牛皮極限穿透閾值

3 結(jié)論

本文通過開展力學(xué)性能試驗(yàn)和彈道試驗(yàn)，研究牛皮的拉伸力學(xué)特性、橡皮彈打擊下離體牛皮和活體動(dòng)物的損傷效應(yīng)，分析對比人體皮膚和牛皮的力學(xué)性能、極限穿透特性，以及動(dòng)物和牛皮的沖擊損傷特征，對牛皮與人體皮膚的相似性進(jìn)行量化評估和科學(xué)合理性驗(yàn)證。得出以下主要結(jié)論：

1) 牛皮和PMHS皮膚的拉伸失效過程表現(xiàn)出相似的3段式：緩慢上升、線性上升、急速下降，應(yīng)變能密度、失效強(qiáng)度和失效應(yīng)變的相對誤差僅為6.56%、6.17%和-4.31%，牛皮與PMHS皮膚的拉伸力學(xué)特性比較接近。

2) 橡皮彈打擊下動(dòng)物(豬)與牛皮靶標(biāo)具有相似的損傷分區(qū)形貌，損傷尺寸特征一致，即皮損區(qū)和剝落區(qū)直徑均與彈徑相當(dāng)，而血腫區(qū)和褶皺區(qū)直徑與橡皮彈比動(dòng)能正相關(guān)。

3) 牛皮的極限穿透比動(dòng)能比經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的人體皮膚極限穿透比動(dòng)能高29.97%，但考慮經(jīng)驗(yàn)公式主要基于病亡或年齡較大的PMHS試驗(yàn)，其穿透比動(dòng)能數(shù)據(jù)會相對比較保守，故牛皮的極限穿透比動(dòng)能與實(shí)際人體皮膚的差距小于29.97%。

4) 通過定性對比和量化分析，并結(jié)合PMHS試驗(yàn)樣本特性可得，牛皮在力學(xué)特性、沖擊損傷形貌、極限穿透比動(dòng)能等方面與人體皮膚相似，是目前比較合適的彈道模擬皮膚材料。