【摘 要】
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基于仿生学研究机理,通过对生物材料的几何特征和微观结构进行研究分析,设计轻型、柔性、高性能的防护装具成为个体防护装甲的发展新方向。本文通过生物材料获得设计灵感,借鉴穿山甲鳞片的叠加覆盖模式,设计制备出兼具防护性能和柔性变形的四肢仿生防护装具,以有效保护人体四肢;同时针对单块防弹插板抗多发侵彻能力不足的问题,设计了一种侧边具有倾斜角的异形防弹陶瓷,通过平面拼接构建镶嵌式新型防弹插板。本文的研究内容主
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基于仿生学研究机理,通过对生物材料的几何特征和微观结构进行研究分析,设计轻型、柔性、高性能的防护装具成为个体防护装甲的发展新方向。本文通过生物材料获得设计灵感,借鉴穿山甲鳞片的叠加覆盖模式,设计制备出兼具防护性能和柔性变形的四肢仿生防护装具,以有效保护人体四肢;同时针对单块防弹插板抗多发侵彻能力不足的问题,设计了一种侧边具有倾斜角的异形防弹陶瓷,通过平面拼接构建镶嵌式新型防弹插板。本文的研究内容主要包括防护装具的设计、仿真模拟及制备测试,对单兵防护装具的研究有一定参考价值,具体的研究内容如下:（1）借鉴生物材料的几何特征和微观结构,研究穿山甲鳞片叠加覆盖模式和生物材料互锁结构设计原理,分别设计出一种由椭圆仿生鳞片叠加覆盖的四肢防护装具和由异形陶瓷镶嵌的防弹插板。通过对比分析防弹材料的力学性能,确定四肢防护装具以UHMWPE层压板作为仿生鳞片,防弹插板以异形Si C陶瓷作为硬质防护层,两组防护装具设计均采用UHMWPE无纺布作为软防护垫层,充当柔性背板支撑,最终提出关于人体四肢及躯干的新型仿生防护装具几何模型。（2）依据设计的几何模型制备防护装具试件,并根据《军用防弹衣安全技术性能要求》（GJB 4300A-2012）Ⅱ级防护标准,对四肢防护装具及防弹插板分别进行弹道极限V50和V0测试。测试结果表明四肢防护装具有效抵御17格令破片侵彻,实测V50值达到862 m/s,鳞片叠加设计有效减弱了破片的侵彻破坏范围,满足防护标准要求。为对比陶瓷倾斜角对防护性能影响,分别制备了陶瓷倾斜角为0°和9°的防弹插板进行7.62 mm手枪弹的侵彻试验,手枪弹初始射速为420m/s,测试结果表明陶瓷倾斜角设计使防弹插板的整体凹陷深度和垫层破坏数量减小,有效提高了防弹插拔的防护性能,能够满足防护标准要求。通过MTS万能试验机对防护装具进行柔性变形测试发现,当荷载达到100 N时,四肢防护装具变的竖向变形达到11 mm,而镶嵌式防弹插板的变形能力较弱,竖向变形仅达到8mm。（3）通过LS-DYNA仿真分析软件建立防护装具的理论模型进行冲击仿真模拟。根据GJB 4300A-2012Ⅱ级防护标准,分别采用17、64格令模拟破片对四肢防护装具进行侵彻;同时采用7.62 mm手枪弹侵彻防弹插板。模拟结果表明两种防护装具均有效抵御投射物的侵彻,达到GJB 4300A-2012Ⅱ级防护等级。依据模拟结果分析防护装具的破坏特征:包括防护装具的阶段破坏过程、应力分布情况、鳞片协同作用、防护装具的变形、参数优化设计等。根据模拟结果,随着陶瓷倾斜角度增大,防弹插板防护性能呈先增加后降低趋势,当陶瓷倾斜角为6°-9°时具有较好的防护性能。
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