目前，高防护等级的防弹衣已经可以有效拦截中小口径步枪弹，减少穿透伤，但由此产生的防弹衣后钝性损伤(BABT)仍然可以对身体造成严重伤害[1-2]。开展弹道冲击作用下的防弹衣后钝击效应研究，有助于阐明投射物钝击伤的损伤机理，为防弹衣结构设计和钝击伤评估提供依据。
对于防护后钝击效应研究，现主要为侵彻试验和数值模拟2种方法。Rolfe和Kaboglu等[3]利用3D-DIC测量系统进行了复合材料层合板在低速冲击作用下的试验研究，通过对变形过程及应变等数据的分析，对撞击后损伤情况进行了评估。刘青青等[4]利用改进的霍普金森杆和3D-DIC测量系统也对复合材料层合板进行了低速冲击试验研究，并利用复合材料层合板的动态力学行为对有限元模型进行了校验。Hisley等[5]采用3D-DIC系统测得头盔的动态变形数据并对头部钝性损伤的严重程度进行了预测。徐诚等[6]对高速步枪弹撞击带复合防护人体上躯干冲击响应进行有限元建模和数值计算分析。郭泽荣等[7]数值模拟了手枪弹侵彻带复合防弹结构的人体躯干钝性损伤过程，并使用现有的评价标准对损伤程度进行了评估。蔡志华[8]和王方[9]各自利用有限元分析方法对胸部在冲击作用下的力学响应进行了研究，并使用粘性准则(VC)等多种评估指标对胸部内脏的损伤进行了评估。
本文搭建了基于3D-DIC技术的防弹衣背面冲击变形测试系统，开展了SS109步枪弹侵彻NIJ III防弹衣的试验，获得了侵彻过程中防弹衣背面的全场三维力学响应特征量。基于试验数据采用粘性准则对侵彻过程中胸部损伤程度进行评估，并获得了相应的AIS损伤等级。
1 实验方法
SS109步枪弹侵彻NIJ III级 SiC/UHMWPE防弹衣的实验装置如图1所示。
图1 实验装置
防弹衣被固定在架子上，迎弹面距离枪口15 m。3D-DIC测量系统由2台互成角度放在防弹衣后面沿弹道方向的高速相机构成，用于拍摄防弹衣背面散斑区域的动态变形过程。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处测量子弹的飞行速度。2个直流LED光源射向防弹衣背面，以保证充足的照明。实验装置搭建好后，设置3D-DIC高速相机分辨率1 280×800像素、采样频率20 000幅/s、曝光时间49 μs。
基于 3D-DIC 测量原理10-12，通过分辨率和画幅之间的关系，确定最适散斑大小在1.17～2.34 mm，最终选择散斑大小为1.524 mm(0.06英寸)，随后利用转印纸将散斑牢固地粘贴在防弹衣背面，以确保在冲击过程中散斑不会脱落。
2 粘性准则
Lau和Viano等[13]对动物胸部钝击试验进行了研究，结果表明软组织的损伤耐受性与组织在冲击变形过程中所吸收的能量或粘性反应有关，并提出粘性准则(Viscous Criteria，VC)。VC准则用胸腔的变形速率与胸腔的挤压变形率的乘积表示：
式中： v(t)为胸壁的变形速度(m/s)； P(t)为胸部变形量(mm)； D为人体胸部的初始厚度(mm)。
VC主要用于高速碰撞下的软组织损伤评估，能较好地预测软组织相关的损伤，广泛应用于机动车乘员损伤评估。为进一步验证VC对钝性弹道冲击的损伤评估能力，Cynthia和PhD等[14]进行了尸体的胸部钝击试验，研究表明VC能够较好的预测钝性弹道的冲击损伤。
在射击瞬间胸廓变形数据无法直接测量，因此本文采用防弹板的变形数据近似来作为胸廓的变形数据。在本文中，将评估防弹衣背面变形对中国95百分位成年男性[15]的伤害严重程度。该成年男性胸部初始厚度为230 mm。
3 实验结果
采用SS109步枪弹射击NIJ III级SiC/UHMWPE防弹衣中部，每块防弹衣仅射击一发，共进行两组试验。通过3D-DIC软件对拍摄的散斑图像进行分析，获得防弹衣背面变形最大点处的位移随时间变化曲线如图2，从图2中可以看到，两组试验结果的一致性较好。防弹衣背面鼓包高度在0.8 ms内达到最大值，其平均值为19.2 mm。之后，鼓包高度迅速减小，并经历3～4次振荡后逐渐停止运动，剩余平均鼓包高度约为16 mm。
图2 防弹衣背面鼓包高度随时间变化曲线
图3为SS109步枪弹以808.5 m/s的速度侵彻防弹衣时3D-DIC系统测得的背面鼓包动态变形过程。从图3中可以看出，在子弹侵彻过程中，防弹衣背板没有被穿透，可以获得防弹衣背面完整的变形场信息。在8.05～8.25 ms时间段内鼓包以圆锥形迅速增大，高度达到17.1 mm，鼓包底圆直径达到119 mm。在8.25～8.70 ms这段时间内，鼓包在高度方向位移继续增加但增速在逐渐降低；在8.70 ms时达到最大高度20.7 mm，此时底圆直径为194 mm；随后鼓包开始缓慢减小，并在约32.0 ms时停止变化，此时鼓包剩余高度为15.8 mm。
图3 3D-DIC系统测得的防弹衣背面鼓包变形云图
图4为防弹衣背面变形最大点处的速度曲线，两组试验得到的速度曲线较为一致，但速度峰值相差较大，这可能是由于弹着点位置差异造成的，平均最大变形速度为108.7 m/s。当子弹以808.5 m/s速度撞击防弹衣时，鼓包变形速度在0.1 ms内迅速增加到最大值101.23 m/s，此时鼓包高度仅3.81 mm。随后速度开始减小，并在t=8.70 ms后速度反向增加，说明鼓包高度开始降低。在t=9.15 ms时，反向速度达到最大值3.9 m/s。
图4 防弹衣背面变形最大点的速度曲线
3D-DIC技术还可以获取分析区域表面任意线段轮廓随时间的变化图。在图5(a)的散斑区域建立过变形最大点P平行于x轴的特征线LAB。图5(b)中每条曲线表示在特定时刻该特征线上鼓包的变形速度，在7.90～8.0 ms时间段内，受冲击产生的应力波还没有扩散，同一时刻的最大变形速度出现在弹着点(鼓包顶点)位置。随后在8.0～8.70 ms这段时间内，变形速度逐渐降低，由于应力波沿材料纤维方向传播，致使同一时刻的最大变形速度出现在鼓包顶点的两侧，并且最大变形速度逐渐远离鼓包顶点。
图5 以808.5 m/s速度撞击防弹衣后特征线及速度场
根据 3D-DIC 数据可以计算VC值从而预测枪弹侵彻防弹衣后胸部的钝击损伤程度。当子弹以808.5 m/s速度撞击防弹衣时，变形最大点处各时刻的速度、压缩量和VC值如图6所示。从图6中可以看出，在t=8.05 ms时刻具有最大VC值4.2 m/s。防弹衣背面变形初期，速度虽然很大，但胸部压缩量非常小，综合作用下得到的VC不是最大值。随着压缩量的增加，VC将增大。在变形后期虽然压缩量较大，但此时的变形速度较小，使得VC值较小，说明在变形后期防弹衣的变形对胸部造成的伤害较小。
图6 变形最大点处各时刻的速度、压缩量和VC曲线
4 讨论
Cynthia等[14]基于尸体的胸部钝击试验数据和Lau 等的钝击试验数据建立了VC和AIS的对应关系。Cynthia等人研究表明：当VC为0.8 m/s时有50%的概率造成胸部出现AIS 2或3级损伤，当VC为0.6 m/s时胸部出现AIS 2或3级损伤的概率减小到25%。
由两组试验数据计算得到的VC值如表1所示， VC值分别为4.20 m/s和4.49 m/s，对应的AIS等级均为6，表明防弹衣携带的能量可能导致人员伤亡。但是，本文中的VC值是直接使用防弹板的变形数据计算得到的，忽略了实际撞击时胸部对防弹板变形的支撑和缓冲作用，从而导致计算的VC值比真实值偏大。
表1 两组试验数据计算得到的VC值
试验组v/(m·s-1)CVC/(m·s-1)808.5 m/s95.40.0444.20808.8 m/s84.80.0534.49
5 结论
1) 通过3D-DIC测量系统，得到了NIJ III 级SiC/UHMWPE防弹衣在SS109步枪弹侵彻下的动态响应过程。防弹衣背面鼓包的形态类似一个圆锥形，在侵彻过程中平均最大鼓包高度为19.2 mm，平均剩余鼓包高度为16 mm。
2) 在鼓包膨胀阶段，背面平均最大变形速度为108.7 m/s，在回弹收缩阶段，背面平均反向最大变形速度为3.9 m/s。而且在鼓包膨胀初期，同一时刻弹着点处的速度最大，随着应力波沿材料纤维方向的传播，同一时刻变形区域的最大速度向弹着点两侧发生偏移。
3) 由于忽略了实际撞击时胸部对防弹板变形的支撑和缓冲作用，利用试验得到的速度和位移数据，计算得到的VC值和相应的AIS损伤等级比真实值偏大。
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