基于三维数字图像相关技术的防弹衣性能测试与评估

温垚珂，郑浩，张俊斌，闫文敏，刘飞

(1.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094；2.63850部队，吉林 白城 137001；3.瞬态冲击技术重点实验室，北京 102202；4.中国兵器工业第208研究所，北京 102202)

0 引言

防弹衣可以吸收枪弹的动能，阻止其对人体的直接侵彻伤害，但仍有部分能量可以传递到机体，导致机体局部钝性挫伤及脑损伤[1]。研究表明，防弹衣的背面变形(BFD)是造成防弹衣后钝性损伤的主要原因。目前，防弹衣背面变形量与人体胸部损伤之间的量效关系尚未完全明晰，还需要进一步开展相关研究，以期为防弹衣性能评判与人体钝击损伤评估提供科学依据。

工业界普遍采用防弹衣BFD在胶泥中留下的凹坑深度来评估防弹衣的防护性能[2]。这种方法虽然简单易用，但无法获得防弹衣BFD的动态过程数据。Wen等[3]、Luo等[4]采用高速摄影获得了防弹衣后面弹道明胶中的瞬时凹陷变化过程，为钝击损伤评估提供了科学数据。为了评估不同防弹结构的优劣，Freitas等[5]采用三维数字图像相关(3D-DIC)技术对17种防弹板在枪弹侵彻过程中BFD的情况进行拍摄，获得了BFD的三维全场信息。刘青青等[6-7]基于3D-DIC技术分别研究了爆炸和低速冲击作用下碳纤维层合板的变形情况，从而验证了3D-DIC在研究复合材料层合板抗冲击性能中的有效应用。Hisley等[8]基于防弹头盔的3D-DIC测试数据，采用钝性准则(BC)评估了头盔遭受钝击时对人体头部造成的损伤严重度。

BC最早用于评估钝器伤和非致命动能武器伤，诸多研究表明，BC模型评估结果与尸体和动物钝性损伤的实验数据有很好的相关性[9]。Sturdivan等[10]对BC的适用范围进行扩展，并通过分析Clare等[11]、Stalnaker等[12]的钝击伤数据建立了BC评估值与简明损伤量表(AIS)损伤评分间的对应关系，从而使评估结果更加直观。

本文采用3D-DIC技术获得了5.8 mm通用弹射击美国司法协会(NIJ)Ⅲ级防弹衣时，防弹衣背面鼓包形态和变形速度等动态信息；随后基于试验数据采用BC对可能造成的人体钝击损伤进行评估，获得了不同间隙时人体相应的AIS损伤等级。

1 防弹衣性能测试

1.1 防弹衣参数

本文选用江苏领瑞新材料科技有限公司生产的碳化硅/超高分子量聚乙烯(SiC/UHMWPE)防弹衣进行试验，防护级别符合美国执法人员用防弹背心防护标准NIJ Ⅲ级。防弹衣尺寸为300 mm×250 mm，防护面积为680 cm2，弧度为π/5 rad.其中：SiC陶瓷的厚度为6 mm，面密度为3.2 g/cm2；UHMWPE背板厚度为8 mm，面密度为11.56 kg/m2.

1.2 试验原理

数字图像相关(DIC)技术由日本Yamaguchi[13]和美国南卡罗莱纳大学Peters等[14]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试验方法。3D-DIC是将双目立体视觉原理与DIC技术相结合，首先利用两个互成角度的相机拍摄被测物体表面，再利用二维DIC中的相关匹配算法来还原被测物体表面各点变形前后的空间坐标，进而得到被测物体表面形状和三维空间信息[15]。

1.3 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。根据被测物表面大小，通过DIC软件计算得到最适散斑点的直径为1.524 mm(0.06 in)。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，防弹衣背面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防弹衣背面，并且在冲击过程中不易脱落,防弹衣背面散斑如图 1所示。

图1 试验用防弹衣背面散斑

1.4 试验方案

测试系统组成如图2所示，图2(a)和图2(b)分别对应测试系统示意图和现场布置图。防弹衣被固定在架子上，迎弹面距离枪口15 m.两台高速相机分别放在防弹衣后面沿弹道方向两侧，用以拍摄防弹衣背面散斑区域的动态变形过程。高速相机分辨率1 280像素×800像素、采样频率20 000帧/s、曝光时间50 μs.红外触发器放置在枪口附近，通过膛口火焰给高速相机发送同步触发信号。光电测速仪放在距离枪口3 m处，用来测量子弹的飞行速度。两个直流LED光源射向防弹衣背面，以保证充足的照明。

图2 测试系统组成

2 钝性准则

由美国陆军生物、物理学实验室提出的BC在预测钝击伤严重程度方面比单独地用冲击动能预测具有更高的准确性[16]。BC将防弹衣BFD撞击人体的过程等效为球体以一定动能撞击人体。BC是从描述撞击的物理特性出发，考虑了弹丸和作用目标的质量、撞击速度和几何尺寸的影响，从而得出的一组经验公式。其计算公式如下:

(1)

式中：E为撞击胸部有效动能(J)；W为胸部有效质量(kg)；T为胸壁厚度(cm)；D为撞击胸部有效直径(cm)。

在本文中，将评估防弹衣BFD对中国50百分位成年男性[17](人体质量Wb=70 kg)的伤害严重程度。按照Sturdivan等[10]给出的胸部质量占人体总质量的百分比来计算，W=0.21×70 kg=14.7 kg.

胸壁厚度T的估计按照Frank等[18]的实验结论，给出如下公式：

(2)

式中：k为修正系数，女性k=0.593，男性k=0.711.由此计算得到人体质量为70 kg的男性胸壁厚度T≈2.93 cm.

图3 球形钝器冲击人体胸部示意图

获取BFD传递给人体的有效动能是进行钝击损伤评估的关键。3D-DIC试验可以方便地获得不同时刻BFD的形状、变形速度等信息，从而为传递给人体有效动能的计算提供了可能。

防弹衣背面传递给胸部的有效动能E是t时刻BFD量超出防弹衣与胸部间隙时具有的最大动能，并认为该动能被全部消耗，其计算公式[8]如下:

(3)

式中：m(t)为防弹衣变形区域的质量(kg)；v为t时刻防弹衣BFD区域的最大速度；ρ′(t)为在该防弹插板部分穿透之后剩余的防弹层面密度；A(t)e为防弹衣BFD区域与胸部的接触面积(m2)。本文中，ρ′(t)为7.70 kg/m2，取防弹衣完整PE层面密度11.56 kg/m2的2/3(近似为弹道冲击后剩余的层数)。

3 试验结果

采用95-1式自动步枪发射5.8 mm通用弹，射击NIJ Ⅲ级SiC/UHMWPE防弹衣中部。每块防弹衣仅射击1发，共进行4组试验。光电测速仪获得的4组试验子弹平均入靶速度为920.6 m/s.通过3D-DIC软件对拍摄的散斑图像进行分析，获得防弹衣BFD最大点处位移随时间变化曲线(见图4(a))和变形速度随时间变化曲线(见图4(b))。4组试验中瞬态鼓包高度在增长阶段的曲线较为一致，在受到冲击后的0.8～1.0 ms内均达到最大鼓包高度，其平均值为22.7 mm.之后，鼓包高度迅速减小，并经历3～4次膨胀收缩后停止运动，静态平均鼓包高度为16.3 mm.在鼓包回弹阶段，4组曲线的变化规律基本一致，但撞击速度931.2 m/s的试验结果明显大于其他3组，这可能是因为弹着点位置及撞击速度差异造成的。鼓包的变形速度曲线上有一正一负两个明显的峰值，分别对应鼓包第1次膨胀和收缩过程中的最大变形速度，其中正向最大变形速度的平均值为117.7 m/s.以撞击速度911.3 m/s的两组试验为例，鼓包开始膨胀时的平均最大变形速度为104.5 m/s，鼓包收缩阶段的平均最大速度为-10.2 m/s.

图4 受到射击后防弹衣背面最大点处变形情况

图5 撞击速度931.2 m/s试验中防弹衣背面在不同时刻的变形情况

考虑对防弹衣后钝击损伤做一个最严重程度的预测，则需要计算最大有效动能，相应的计算速度应该选取这一时刻变形区域内的最大速度，在DIC软件的后处理中可以将分析区域内所有的变形数据输出到Excel文件，进一步可以得到最大速度。

假设防弹衣背面和人体胸部表面的间隙为5 mm和10 mm两种情况，分别计算相应的BC分值(见表1)。对于表1中的第1组防弹衣距胸部间隙为5 mm时的数据，有效能量是使用图5中在6.75 ms时刻BFD量超过5 mm(最大动能)时的DIC数据计算得到。同样，其他3组有效能量也可以使用相应的DIC数据计算得到。

表1 两种不同间隙时的BC值

图6所示为弹头入靶速度931.2 m/s时，防弹衣背面鼓包在各个时刻的最大速度、接触面积和有效动能曲线。由图6可见：在6.75 ms时刻具有最大动能为137.8 J；在变形的初期速度虽然很大，但接触面积非常小，导致接触面具有的动能不是最大值，随着接触面积的增加，动能将增大；在变形后期虽然接触面积非常大，但此时的速度较小，使得接触面具有的动能较低，表明在变形后期防弹衣的变形对胸部造成的伤害较小。

图6 撞击速度为931.2 m/s时防弹衣背面各个时刻的最大速度、接触面积和有效动能曲线

4 试验结果分析

王凌青[19]用高速摄影机记录了5.8 mm通用弹侵彻NIJ Ⅲ级Al2O3/UHMWPE防弹衣的动态过程，结果表明防弹衣背面约在0.5～1.0 ms内达到最大变形，平均最大变形量在29 mm左右。在防护等级相同的前提下，与本文进行的4组5.8 mm通用弹侵彻SiC/UHMWPE防弹衣试验相比，防弹衣达到最大变形量所用时间相近，但本文平均最大变形量为22.7 mm.由于SiC陶瓷防护性能优于Al2O3陶瓷[20]，这一差异是合理的。

Sturdivan等[10]和Bir等[21]分别基于Clare等[11]的钝击伤数据和尸体钝击试验数据建立了BC与AIS的对应关系。Bir等[21]使用钝性弹丸撞击尸体获得的数据计算BC值，用平均值表示胸部出现50%损伤概率时对应的BC值。当AIS小于4时，BC取值范围为-0.75～1.25，且胸部发生AIS 2级或3级损伤的平均BC值为0.37.Sturdivan等[10]考虑到活体组织对外部威胁具有更好的抵抗力，并使用Clare等[11]的动物活体试验数据计算BC值，从而建立了BC值与AIS对应关系，如表2所示。

表2 BC值与AIS等级和损伤程度之间的对应关系

表1所示为本文计算得到的4组试验BC值，当防弹衣与胸部的间隙为5 mm时，BC值分别为1.19、1.08、0.62和0.96，平均值为0.96，对应的AIS等级是4～5，表明接触面携带的巨大能量可能对胸部造成严重损伤。当防弹衣与胸部的间隙为10 mm时，最大值为0.25，最小值为-0.34，1、2两组试验的平均BC值为0.215，对应AIS 1～2级；3、4两组试验的平均BC值为-0.15，该值小于胸部发生AIS 1级损伤时的值。当有效动能E

本文中的试验是用枪弹对防弹衣直接侵彻，与实际情况相比缺少胸部的支撑作用，因此得到的鼓包变形量和速度等数据比实际值略大。另外，本文的有效动能是由变形区域的最大速度与变形区域面积计算得到的，这样计算得到的有效动能以及BC值也要比实际值偏大。

5 结论

本文对5.8 mm通用弹侵彻SiC/UHMWPE防弹衣的过程进行了研究，通过3D-DIC测试方法得到了防弹衣瞬态变形量和速度等随时间变化的数据。结合钝性准则和简明损伤量表对防弹衣距胸部间隙分别为5 mm和10 mm时进行了钝性损伤程度的评估。得出如下主要结论：

1)在侵彻过程中最大鼓包高度的平均值为22.7 mm，静态鼓包高度的平均值为16.3 mm，最大变形速度的平均值为117.7 m/s.

2)当防弹衣与胸部的安全距离取5 mm时，计算出的BC平均值为0.96，对应着AIS 4～5等级，此时防弹衣后钝击效应仍可造成胸部的严重损伤。当安全距离增加至10 mm时，计算的BC值受枪弹初速度影响较大，但AIS等级均小于3，此时防弹衣后钝击效应对胸部造成轻微损伤甚至无损伤。