气囊动能弹致伤效应分析*

刘加凯,李 娜,马永忠,胡民效

(1 武警工程大学装备工程学院,西安 710086;2 武警工程大学理学院,西安 710086)

气囊动能弹致伤效应分析*

刘加凯1,李 娜2,马永忠1,胡民效1

(1 武警工程大学装备工程学院,西安 710086;2 武警工程大学理学院,西安 710086)

为考核气囊动能弹的致伤效应,首先利用控制容积法对气囊静态充气膨胀过程进行了仿真分析,所设计的气囊系统能够在10 ms内完成充气膨胀,形成半轴长分别为60 mm、60 mm、50 mm的椭球形气囊。其次,利用ANSYS/LS-DYNA软件对气囊动能弹以70 m/s、80 m/s、90 m/s的初速对人体的动态打击效应开展了仿真研究,得到了气囊动能弹的打击效果图、应力分布云图等,仿真表明速度为80 m/s条件下气囊动能弹具有良好的非致命效应和打击效果。

气囊动能弹;动态打击;致伤效应;仿真分析

0 引言

动能弹也称致痛弹,是利用弹丸的飞行动能打击有生目标,使之致伤致痛,从而失去抵抗能力或行动受到抑制的一种防暴弹药,在国内外军警执行任务时具有极高的使用率,如橡胶弹、布袋弹等[1-2]。但这些动能弹存在“远距离打不上、近距离过度伤害、容易造成永久性伤害”等缺点,严重影响了该类武器性能的充分发挥[3-4]。

文中设计的气囊动能弹是利用38 mm防暴枪发射的一种新型动能弹药。在气囊动能弹打击目标过程中,气囊弹丸瞬间充气膨胀成为约半个足球大小的气囊,利用气囊的柔性动能打击有生目标,将其击倒或击晕,而又不对其造成致命或过度伤害。

文中采用有限元仿真分析的方法对气囊动能弹的静态充气膨胀过程和动态打击效果进行仿真分析,研究气囊膨胀过程中外形、体积、压力等参数的变化情况,以及对人体打击的作用效果等。

1 气囊动能弹结构组成及功能分析

气囊动能弹采用发火控制技术和气囊技术实现对目标的非致命动能打击,主要由弹丸系统、发射部、药筒以及相应的连接部组成,其总体结构如图1所示。

弹丸系统内按照由上到下的顺序依次装有柔性弹头、气囊系统、发火控制装置、电源和尾翼。弹药由38 mm防暴枪击发后,发射药瞬间点燃,弹丸在发射药燃气推力的作用下向前飞行,同时发射药燃气将弹丸上发火控制装置中的保险丝熔断,使弹药解除保险。电源开始向发火控制系统供电,使弹丸处于待发状态。当撞击到人员目标瞬间,由于受到减加速度力的作用,发火控制装置中的加速度碰撞开关闭合,并向气囊系统中的气体发生器发出点火信号,气体发生器点火并向气囊内迅速充入大量气体,使气囊迅速膨胀形成半轴长分别为60 mm、60 mm、50 mm的椭球形气囊。利用柔性气囊飞行中的强大动能将人击倒或击晕,并能够有效的防止对目标过度伤害。

图1 38 mm气囊动能弹结构剖视图

2 气囊静态膨胀过程仿真分析

气囊动能弹是利用气囊的柔性动能对目标实施打击的,因此需要对气囊的静态膨胀过程和动态致伤效应进行分析。

本节采用控制容积法(control volume method,CV)建立气囊静态膨胀过程仿真模型,对静态条件下气囊从折叠状态到充气完成的作用过程进行仿真分析,获得气囊膨胀过程中外形、容积等参数随时间的变化情况。

2.1 CV法气囊模型理论

CV法认为气囊内压力由理想气体状态方程控制,气囊内部气体满足[5]:

(1)

式中:P为气体压力(Pa);V为气体体积(m3);n为气体物质的量(mol);R为气体常数;T为气体温度(K);U为气体内能(J);m为气体质量(g);Cv为气体体积热容。

当气囊发生碰撞缓冲运动时,可看成接触碰撞模型,可用公式表示为:

(2)

上式中左边分别表示内力、外力、碰撞接触力以及惯性力。

2.2 气囊有限元模型建立

假设气囊周围环境为空气,充入气囊内气体为火药燃气。气体发生器产气量为0.14 mol,温度为600 K,速度为当地音速,时间为10 ms。根据产气量与气囊容积可计算出囊内气体密度为1.28×10-8kg/mm3,压力为2 MPa。

在ANSYS软件中使用SHELL163单元建立气囊模型并划分网格。根据弹丸系统结构特点,气囊采用环向折叠方法进行折叠,如图2所示。对于环向折叠气囊,由于折叠后的气囊与折叠前的气囊其中心圆部分是保持不变的,可以将气囊分成两个部分:折叠区域和非折叠区域[6]。

图2 气囊网格模型

把所建立的有限元模型生成的K文件导入LS-PREPOST软件,对其关键字进行修改,设置相应的参数。气囊材料的参数如表1所列。

表1 气囊的材料模型参数

主要关键字及其含义如下[7]:

*DATABASE_ABSTAT:定义输出气囊内部压力变化、气囊容积等参数;

*MAT_COMPOSITE_DAMAGE:气囊材料选用复合材料,该关键字用于定义复合材料气囊的杨氏模量、剪切模量、泊松比等参数;

*SECTION_SHELL:定义壳单元的厚度、积分类型、积分点数等参数;

*Aribag-SIMPLE_PRESSURE_VOLUME:定义气囊模型(该模型没有排气泄压的要求)。

最后,把修改完成的K文件导入求解器中进行求解计算。2.3 有限元仿真及结果分析

利用ANSYS/LS-DYNA对所建立的气囊有限元模型进行仿真分析,得到静态条件下气囊在各时间点的充气膨胀状态,如图3所示。

图3 气囊静态膨胀过程仿真图

从图3中可以看出,气囊系统入口处具有较明显的射流效应,气流直接充入气囊顶部,接触到气囊上壁之后形成回流区,气体从中心推动气袋上片往外展开,将气袋一环环展开,能够更快地展开气囊。当达到8 ms左右时,气囊基本形成椭球形状态。

气囊容积变化曲线如图4所示。

图4 气囊容积随时间变化曲线

由图4可知,气囊容积变化曲线可以分为3个阶段:

1)0～1 ms,该时间段内由于气囊处于折叠状态,而克服折叠状态需要一定的膨胀力,且气体发生器处于初始激活状态,故气囊容积几乎不变;

2)1～8 ms,随着气体发生器产气量的增加,气囊迅速膨胀,气囊容积迅速增加;

3)8～11 ms,随着气体发生器的继续充气,气囊在10 ms左右容积达到最大值,之后围绕最大值附近做小幅震荡,而气囊内的压力还会进一步增大,直至充气完毕。

3 气囊动能弹动态致伤效应分析

利用ANSYS/LS-DYNA软件对气囊动能弹的动态打击过程进行仿真,分析气囊弹丸以70 m/s、80 m/s、90 m/s三种速度打击人体时皮肤所承受的应力及其变化趋势,研究动能弹对人体的致伤效应。

3.1 有限元模型建立

在仿真过程中,气囊动能弹对人体皮肤的打击涉及的对象包括两部分:弹丸系统和人体皮肤。

为简化仿真过程,将弹丸系统中的发火控制装置、弹体外壳、气体发生器和尾翼装置等均简略,建立仅包含柔性弹头和气囊系统的弹丸模型,其中柔性弹头为半球体,半径为18 mm,气囊系统为规则圆柱体,直径为36 mm、长度为70 mm。

为能清晰地呈现气囊动能弹对人体皮肤的打击效果和皮肤上的应力分布情况,将皮肤模型简化为尺寸为400 mm×400 mm×40 mm的长方体靶板。

文中采用八节点六面体单元SOLID164来建立柔性弹头和皮肤模型,采用壳单元SHELL163单元建立气囊模型,并定义气囊内部的压力、气囊容积和材料参数等。柔性弹头和皮肤模型选择*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型,模型参数见表2。

表2 橡胶弹头和人体皮肤的材料模型参数

由于弹丸模型和皮肤模型都是规则体,适宜采用映射的方式划分网格,根据几何结构对称性,取整体模型的1/4建模。其中气囊仍采用气囊静态充气仿真分析中的网格划分方法。对皮肤模型进行拆分,细化碰撞区域网格尺寸,皮肤模型中心碰撞区域网格尺寸为2.5 mm,外围区域网格尺寸为7.5 mm。皮肤模型的节点数是28 577,单元数是2 560,划分结果如图5所示。

图5 弹丸和皮肤模型网格划分图

3.2 施加约束条件及定义接触

1)施加约束条件[8-9]

选取弹丸和皮肤模型Y方向和Z方向对称面上的所有节点,施加对称位移约束。选取皮肤模型施加无反射边界条件。然后选择弹体施加初始速度。

2)定义接触

采用*AUTOMATIC_GENERAL模拟弹丸和皮肤的接触关系,由于气囊弹丸打击皮肤接触面的产生存在一定的不确定性,故选择单面普通接触。

为确保弹丸与皮肤接触时不发生贯穿情况,需定义合适的接触罚刚度。由于人体皮肤和弹丸的弹性模型较小,接触的表面积也较小,通过计算和分析相关的经验值,设定接触罚刚度因子为10。

3.3 动能弹动态致伤效应仿真分析

利用ANSYS/LS-DYNA软件对所建立的气囊动能弹有限元模型进行动态打击过程仿真分析。经过数值仿真,得出在70 m/s、80 m/s、90 m/s 3种速度条件下气囊动能弹打击人体皮肤的作用效果图和应力分布图,图6为80 m/s时的作用效果图。

图6 打击速度为80 m/s时的作用效果图

由图6可知,气囊动能弹的作用效果仿真图可以将弹丸对人体的打击过程清晰地反映出来。从图中可以发现:

1)气囊动能弹在打击过程中,弹丸头部的柔性弹头首先与人体皮肤相接触。在接触皮肤的一瞬间,位于弹丸后部的气囊系统即开始迅速充气,形成椭球状气囊,对人体皮肤实施柔性打击。

2)对于打击速度为80 m/s的气囊弹,在4 ms左右时气囊开始迅速充气,8 ms左右充气基本完成,较70 m/s速度条件下较早充满气体。

3)在打击过程中,气囊动能弹与皮肤的接触面积迅速增大,即使有较大的动能,其比动能也较小,不会对皮肤造成贯穿伤害,具有良好的非致命效应。

图7为气囊动能弹以80 m/s的速度打击人体皮肤时,人体皮肤上的应力分布图。

图7 打击速度为80 m/s时皮肤的应力云图

由图7可以发现:在碰撞开始阶段,柔性弹头首先接触皮肤,皮肤模型中部区域应力集中明显,应力峰值达到最大,最大应力达到0.94 MPa。随着气囊系统迅速充气,动能弹丸和皮肤模型发生弹性缓冲变形,人体皮肤上应力集中情况趋于缓和,应力峰值逐渐变小,当到达12 ms左右时,皮肤上的最大应力减小为0.64 MPa。皮肤模型上的应力分布具有如下特点:

1)气囊弹丸刚接触皮肤时,由于柔性弹头形变较小,应力主要集中在弹头的正下方,应力大小从作用中心点向四周逐渐减小,主要作用在皮肤的纵深方向上;随着气囊的充气,气囊体积急剧膨胀,使气囊与皮肤的接触面积迅速增大,相应的应力作用面积也有所增大,此时的应力主要集中在皮肤表面。

2)应力作用范围随柔性弹头部分形变和气囊与人体皮肤接触面积的增大而有所增大,同时应力也逐渐减小;在气囊反弹过程中,人体皮肤的作用应力范围有所减小。

(3)气囊弹以70 m/s、80 m/s和90 m/s的初速打击人体皮肤时,其所对应的动能分别为98 J、128 J和182 J,虽然动能较大,但动能衰减非常快,因此皮肤表层不会发生破裂和贯穿现象,具有良好的非致命效应。考虑到非致命动能弹的最大动能不宜大于120 J,故设定气囊弹的终点速度应不大于80 m/s。

4 结论

文中主要利用ANSYS/LS-DYNA软件对气囊动能弹打击人体皮肤时的致伤效应进行了仿真分析。首先,利用控制容积法对气囊静态充气膨胀过程进行了仿真分析,所设计的气囊系统能够在10 ms内完成充气膨胀,形成半轴长分别为60 mm、60 mm、50 mm大小的椭球形气囊。其次,重点对气囊动能弹以70 m/s、80 m/s、90 m/s的初速对人体的动态打击效应开展了仿真研究,得到了气囊动能弹的打击效果图、应力分布情况等,仿真结果表明,气囊动能弹在终点速度应不大于80 m/s的条件下具有良好的非致命效应和打击效果。

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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

刘加凯(1985-),男,河南辉县人,讲师,博士,研究方向:弹药工程。

TJ43

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