基于3D-DIC 技术的防弹头盔性能测试与评估

温垚珂，李子轩，闫文敏，张俊斌，崔广宇，刘飞

（1. 南京理工大学 机械工程学院，江苏，南京 210094；2. 瞬态冲击技术重点实验室，北京 102202；3. 中国兵器工业第208 研究所，北京 102202；4. 中国人民解放军63856 部队，吉林，白城 137001）

现代复合材料防弹头盔能够有效拦截手枪弹和中低速破片，但头盔内部瞬态变形仍有可能导致颅骨骨折、脑挫伤等钝性损伤. 随着头部在冲击作用下绕颈部运动，还有可能造成脑震荡、脑内血肿和颈部损伤. 这些损伤极有可能导致作战人员短时意识模糊、方向感缺失，甚至留下后遗症[1−3]. 开展防弹头盔性能测试与评估一方面可以为新型防弹头盔设计、检验和评价提供科学数据，另一方面也为揭示头部钝击损伤机理及钝击伤救治提供科学依据.

我国公安部和军队制定的防弹头盔测试标准（GA293-2012 和GJB5115-2004）均规定弹着点处头盔内表面变形高度不能超过25 mm[4−5]. 这两个标准采用的测试方法无法获取头盔内部鼓包变形的三维动态过程，并且该阈值与头部钝击损伤的量效关系尚需进一步阐明. JAMROZIAK 等[6]采用高速摄影获得了手枪弹侵彻防弹头盔过程中头盔弹着点位置的动态响应过程. FREITAS 等[7]采用X 光机对9 mm 手枪弹侵彻带防弹头盔人体头部模拟靶标过程进行了拍摄，获得了头盔内部瞬态鼓包形态和颅骨变形等数据. 上述研究仅能得到鼓包在某平面内的形态特征，无法获得鼓包三维形态的动态变形数据.

徐波等[8]利用实验和数值模拟的方法研究了穿戴防弹衣情况下爆炸冲击波对人体的作用模式, 建立了爆炸冲击波冲击防弹衣的二维和三维数值模型.余庆波等[9]对不同头部刚性弹丸侵彻钢靶动力学过程进行了数值模拟研究. 数值模拟方法可以很方便地获取防弹头盔鼓包变形数据，但仿真获得的最大鼓包高度普遍显著小于试验值[10−12]，无法用于准确评估头部钝击伤. 这主要是由于组成防弹头盔的复合材料在高速冲击下的失效模式多样，且缺乏其准确的动态材料参数和合适的本构模型.

三维数字图像相关（3D-DIC）技术的出现，为采用试验法测量头盔内部鼓包三维动态变形过程提供了可能. 崔广宇[13]采用该技术获得了PASGT 防弹头盔在9 mm 手枪弹侵彻下的三维全场变形过程. FREITAS等[14]采用3D-DIC 技术对17 种不同结构方案的防弹板性能进行了对比分析. HISLEY 等[15]通过3D-DIC测试法对9 mm 手枪弹侵彻防弹头盔时头盔内部鼓包变化过程进行了测量，随后基于钝性准则和简明损伤定级标准，对鼓包变形可能造成的颅脑损伤程度进行评估. ERIKA 等[16]研究了尸体颅骨和活体猪在有头盔保护情况下的颅骨骨折严重程度，通过试验发现颅骨骨折严重程度与头盔背面残余变形量相关性较差，但与变形速度和头盔动能密切相关.

本文采用3D-DIC 技术测量了92 式9 mm 铅芯弹射击防弹头盔顶部位置时头盔的内部鼓包形态和变形速度等动态信息，基于试验数据采用BC 准则对钝击效应进行评估，获得了不同头盔间隙下相应的AIS 损伤等级和颅骨骨折概率.

1 防弹头盔性能测试

1.1 试验原理

DIC 技术是一种非接触式光测技术，通过摄像机拍摄物体变形过程中表面随机分布的散斑特征，采用数字图像相关算法计算被测物体表面变形信息，进而获取变形速度、加速度和面内应变等数据. 3DDIC 依据双目视觉原理，采用两个摄像机从不同角度同时获取某场景的二维图像. 通过坐标标定获得两个摄像机的空间位置，并搜寻采集到的相同时刻两幅图像中的对应点，进而计算并得到这一点在空间坐标系中的三维坐标，从而提取三维位移场数据[17−19].

1.2 散斑制作

合适的散斑大小、分布及其与被测物表面良好的粘接是取得可靠DIC 分析结果的前提. 散斑大小的估算可根据相机画幅、分辨率、头盔所占画幅的比例以及头盔的实际大小，来确定散斑的大小. 试验时设定相机为1 280×800 像素，头盔所占画幅的1/2左右，每个散斑点的大小为5～10 个像素点. 经计算该试验的最适散斑大小为1.17～2.34 mm，最终确定为1.53 mm. 随后通过程序生成随机分布且散斑区域占比约50%的散斑图像并打印. 在瞬态冲击过程中，头盔内部散斑极易在冲击过程中脱落，从而造成DIC 分析无法进行. 经多次改进，发现利用转印纸可以较好地将散斑粘贴在头盔内表面，并且在冲击过程中不易脱落. 由于头盔内表面一般为黑色且光滑易反光，因此先在其内表面喷涂一薄层白色哑光漆，随后将打印在转印纸上的散斑转印到测试区域. 头盔内表面散斑的制作过程如图1 所示.

图1 头盔内部散斑制作过程Fig. 1 The process of making speckles inside the helmet

1.3 试验方案

测试系统组成如图2 所示. 根据测试需求，架设相机及其他设备; 调整两高速相机高度保持一致，水平方向的夹角为15°. 防弹头盔被固定在架子上，使其顶部朝向枪口并与枪口保持5 m 距离；两台高速摄影分别放在弹道方向两侧拍摄头盔内部散斑区域，设置采样频率20 000 fps，曝光时间5 μs；两个直流LED 光源朝向头盔内部照射，以保证充足的照明；红外触发器放在枪口附近为高速摄影提供触发信号；光电测速仪放在距离枪口2 m 处测量子弹的飞行速度.

图2 测试系统组成Fig. 2 Composition of test system

1.4 三维坐标构建

数字图像相关技术（digital image correlation，DIC）由日本的YAMAGUCHI[20]和美国南卡罗莱纳大学PETERS 等[21]于20 世纪80 年代相继独立提出. 这是一种通过对试件表面变形前后散斑图像的灰度矩阵进行相关计算，由匹配算法确定计算点变形前后的空间位置，从而获得试件表面位移和应变信息的光学测试实验方法. 其基于双目立体视觉原理，利用两个互成角度的相机拍摄试件表面，并记录试件的表面形状和变形，然后通过系统标定获得两个相机的内外参数，从而确定三维空间信息. 最后利用3DDIC 中的相关匹配算法获得试件表面位移场和应变场信息.

在使用3D-DIC 测试系统之前，需要先对其进行坐标标定，如图3 所示. 选择大小为拍摄画幅80%左右的标定板，在尽量靠近头盔的位置做大幅度的3个自由度平动和3 个自由度的转动. 确保在标定过程中，标定板上的所有点都在摄像机视场之内. 拍摄约80 组以上的图像后在DIC 分析软件中进行三维坐标计算，为后续头盔内部鼓包三维运动分析奠定基础.

图3 三维坐标标定界面Fig. 3 Three-dimensional coordinate calibration interface

1.5 系统标定试验

为保证3D-DIC 系统在子弹侵彻过程中测量结果的可靠性，明确试验系统的误差大小，本文进行了9 mm 手枪弹射击UHMWPE 防弹板的3D-DIC 和高速摄影对比试验. 将防弹板的背面做好大小合适的散斑进行3D-DIC 测试. 同时在防弹板的侧面，架设一台高速相机，以测量防弹板的鼓包变形大小，用于和3D-DIC 测试结果进行对比.

为便于后期对比与计算，将侧面的高速相机与3D-DIC 测试系统所使用的相机帧率设置成相同的20 000 fps. 子弹发射时产生的膛口焰，经过红外触发器，对3 台相机进行同步触发.

3D-DIC 测试出的瞬间鼓包高度可以从相应软件中得出, 侧面高速相机的结果可以通过比例尺的计算得到瞬间鼓包高度. 从表1 可以得出，在不同时刻，两种测试系统的结果相对误差均小于2.1%. 这表明两种方法测试的一致性较好，且3D-DIC 技术获取的试验数据更为全面.

表1 侧面的高速相机与3D-DIC 测试系统的结果对比Tab. 1 Comparison of the results of the high-speed camera on the side and the 3D-DIC test system

2 试验结果

采用NP22 手枪发射9 mm 铅芯弹射击PASGT头盔（材质Kevlar）顶部，共射击3 发以确保试验结果一致性. 如图4 所示，图4(a)为0620-7 组弹着点位置，子弹入射速度为339.8 m/s，图4(b)为0620-8 组弹着点位置，子弹入射速度为342.3 m/s，图4(c)为0620-9组弹着点位置，子弹入射速度为349.3 m/s .

图4 弹着点位置Fig. 4 Impact position

光电测速仪获得的3 组试验子弹平均入靶速度为343.8 m/s. 通过3D-DIC 软件对拍摄的散斑图像进行分析，获得头盔内部变形最大点处鼓包高度、变形速度和加速度等随时间变化曲线，并以0620-7 组的峰值时刻为基准，分别做出了3 组数据的平均曲线，如图5 所示. 3 组试验中瞬态鼓包高度在增长阶段的曲线较为一致，仅0.8 ms 就达到了最大鼓包高度，其平均值为27.8 mm. 考虑到没有头模支撑，且本文固定方式限制了头盔的整体运动，因此推测该头盔在公安和军方防弹头盔测试标准下内表面变形高度应该是小于25 mm 的为合格产品. 在鼓包回弹阶段，3组曲线的回弹过程有显著差异，这可能是由于弹着点位置及头盔本身性能差异造成的，静态平均鼓包高度为9.5 mm. 3 组试验的鼓包变形速度曲线较一致，最大变形速度平均值为98.6 m/s. 0620-7 和0620-9两组试验的加速度曲线基本重合，0620-8 组试验的加速度曲线到达峰值的时间滞后约0.4 ms. 3 组试验最大加速度的平均值为9.24×105m/s2.

图5 防弹头盔内部变形最大点高度、速度和加速度随时间变化历程Fig. 5 Time histories of the height, speed and acceleration of BFD on the maximum deformation point

图6(a)～6(c)分别为基于0620-7、0620-8、0620-9组试验获得的头盔内部鼓包三维变形过程. 图6(a)为0620-7 组的实验图，从图中可以看到，鼓包的剖面形状近似为三角形. 在11.35 ms 时鼓包高度达到了16.5 mm，底部宽度约为100 mm；在11.90 ms 时，鼓包高度达到最大值27.3 mm，宽度约为140 mm；在13.05 ms时鼓包高度缩小到14.2 mm，底部宽度约为90 mm.

图6 头盔内部鼓包变形过程的3D-DIC 分析结果Fig. 6 3D-DIC analysis results of the BFD

以0620-7 组为例，建立过最大鼓包点的直线L且垂直于如图7(a)视场的平面，提取该平面上鼓包形态随时间变化曲线，其中每条曲线表示特定时刻在该平面上鼓包的形状轮廓，如图7(b)所示. 在11.15～11.90 ms 这段时间内鼓包迅速增大，鼓包形态呈圆锥形，最大高度达到了27.3 mm. 随后鼓包开始缓慢减小，在14.25 ms 时高度为7.2 mm，随后略微增高到15.7 ms 后，又开始缓慢减小. 50 ms 时头盔内部的鼓包已经停止运动，最终静态鼓包高度为6.8 mm.

图7 防弹头盔内部鼓包高度随时间变化历程Fig. 7 Deformation contours of BFD

3 钝击损伤评估

3.1 BC 评估模型

STURDIVAN 等[22]提出了一种钝性准则（blunt criterion，BC）计算模型，用以评估动能非致命武器及钝物（如棒球、橄榄球等）击中人体后造成的损伤，并通过动物试验和尸体试验构建了BC 值与AIS 评分的关系. HISLEY 等[15]认为防弹头盔鼓包撞击颅骨的过程与非致命投射物或钝物撞击人体的过程类似.因此，可以采用BC 准则来评估防弹头盔鼓包对头部造成的可能伤害. BC 准则的计算公式为

式中：E为撞击头部的有效动能；m为头部有效质量；t为颅骨厚度；D为撞击物的有效直径.

3.2 BC 值的计算

考虑到头盔与头部之间的间隙（假设为12.7，15.0 , 20.0 mm 3 种情况），以鼓包最高点接触头部时所具有的动能为撞击头部有效动能. 则其计算公式为

式中:ρ为头盔鼓包处的面密度；S为鼓包面积；v为该时刻鼓包平均运动速度. 颅骨厚度为1.3 cm[23]，头部质量为3.4 kg[24].

对头盔进行剖切，如图8 所示，发现子弹仅穿透了头盔厚度的18%，侵彻结束后子弹从柱状变为扁平状. 头盔壳的面密度为8.5 kg/m2，因此鼓包部分的面密度为6.97 kg/m2. 由于鼓包形状可近似为一个圆锥体，基于DIC 数据可以获得鼓包高度12.7，15.0,20.0 mm 时，相应圆锥体的表面积为9.8×10−4，1.5×10−3，1.4×10−3m2. STURDIVAN 等[22]用 公 式D=2/π对有效直径进行估算，相应有效直径为3.5，4.4，4.3 cm.

图8 弹道冲击后的头盔剖视图Fig. 8 Sectional view of helmet after ballistic impact

同样的，可以从DIC 软件中获得高度为12.7，15.0, 20.0 mm 时，头盔鼓包的最大运动速度分别为93.7，74.4，47.7 m/s.

RAYMOND 团队[25]用7 个人体标本进行了跌落实验，建立了一个对数函数曲线，将BC 与颅骨骨折概率联系起来，如图9 所示.

图9 BC 与颅骨骨折概率之间的关系[25]Fig. 9 The relationship between BC and the probability of skull fracture[25]

通过BC 评估公式，结合头盔内部钝击效应的3D-DIC 试验结果即可得到不同间隙下的BC 值和颅骨骨折概率，如表2 所示.

表2 不同间隙时的BC 值与颅骨骨折概率Tab. 2 BC value and skull fracture probability at different intervals

3.3 不同间隙时的AIS 评分

碰撞生物力学中最常用到的是解剖学分级中的简明损伤定级标准(AIS)[26]. 该损伤评分准则起初由美国交通事故调查组于20 世纪60 年代开始着手制订，并在1971 年发行了最初的AIS 评分定级标准.在AIS 中将人体受到的损伤程度分为6 个等级，如表3 所示.

表3 AIS 分级代号Tab. 3 AIS classification code

STURDIVAN 等[22]基于CLARE 等[27]的钝击伤数据建立了BC 与AIS 的对应关系，如表4 所示.

表4 AIS 分数与BC 值之间对应关系[22]Tab. 4 Correspondence between AIS score and BC value[22]

表2 中计算了不同的悬挂空隙大小所对应的BC 值. 当悬挂空隙大小取12.7 mm（0.5 in）时，BC 值分别为1.47，1.25 和0.96，换算为AIS 分数分别为6，5 和4，平均值为5；颅骨骨折概率分别为36.6%，21.4%，8.9%，平均值为22.3%. 根据STURDIVAN 等[19]研究报告中的AIS 分数与BC 值对应关系计算，这3 组试验结果的AIS 分数均偏高，可能导致危重创伤甚至直接死亡. 但仅增大2.3 mm 的悬挂空隙，计算出的BC 值和对应的AIS 分数均有显著的减小，分别为0.77，0.55 和0.32，换算为AIS 分数分 别为3，2 和1，平均值为2；由于头盔制造加工有误差，以及弹着点的不同，造成鼓包大小的不同，导致D值的差异，求出的BC 值也会略有差异，但总体评估结果均在合理范围内. 颅骨骨折概率分别为8.4%，2.0%，0.9%，平均值为3.8%. 当将悬挂空隙增大到20 mm 时，计算出的BC 值均小于0.3，对应的AIS 分数为0 或1，颅骨骨折概率平均值为0.6，表明鼓包变形几乎对佩戴者不造成任何影响. 间隙越小造成的损伤越严重，但间隙越大佩戴的稳定性就越差，越容易晃动，因此需要在防护性和佩戴舒适性间寻找平衡. 需要指出的是，本文计算的AIS 损伤等级要比实际值偏大. 因为，本文采用的防弹头盔鼓包变形数据是在头盔完全固定且内部没有任何支撑的情况下获得的，忽略了头盔的整体移动和颅骨强度对头盔鼓包形态的影响.

4 结 论

本文对子弹非贯穿侵彻防弹头盔的过程进行了研究，得到了该过程中头盔的瞬态力学响应特性，以及不同悬挂间隙时可能导致的人体头部损伤程度，主要结论如下：

①通过3D-DIC 测试方法，得到了9 mm 手枪弹侵彻防弹头盔时头盔内部瞬态鼓包的三维全场变形信息. 在侵彻过程中最大鼓包高度平均值为27.8 mm，静态鼓包高度平均值为9.5 mm，最大变形速度的平均值为98.6 m/s，以及加速度、变形区域的面积等结果随时间变化的瞬态信息；

②基于3D-DIC 试验结果，结合BC 和AIS 评估准则，对侵彻过程中不同悬挂间隙下可能导致的人体头部损伤程度进行了评估. 当头盔与头部的安全距离取12.7 mm 时，通过计算出的BC 值换算的AIS值平均为5，可导致危重创伤. 但当安全距离增加至15 mm 时，AIS 值的平均值减小到2，此时可导致中度或重度损伤，颅骨骨折概率也从22.3%降低为3.8%.