最近一项关于 VIC-3D 系统应用于防弹衣背面变形(BFD)的研究报告发表在了《Journal of Physics : Conference Series 》。该实验使用了 Correlated Solutions 的尖端 3D 数字图像相关技术来测量防弹衣的背面变形(BFD),评估防弹衣的性能以及对装甲钝伤(BABT)机理的研究。VIC-3D 系统精确控制高速相机捕捉真实数字图像数据,精确分析并直观显示全场变形、BFD 的线切片轮廓、变形速度和加速度数据结果 。



实验背景防弹衣的使用大大减少了穿透伤,并挽救了许多士兵的生命。防弹衣可以阻止弹丸,但是在装甲钝伤(BABT)之后产生的冲击仍可能对身体造成严重伤害,防弹衣背面变形(BFD)是装甲钝伤(BABT)的主要原因。随着防弹衣的重量减轻,弹道冲击下更大 BFD 的可能性也会增加。通过 VIC-3D 系统直观模拟弹丸高速冲击防弹衣装甲实验测试 BFD,进一步研究 BABT 损伤机理和提升铠甲防护水平。

数字图像相关技术(DIC)已成为一种用于测量材料表面变形的新技术。该技术已被用来测量复合材料防弹层压板和作战头盔在弹道冲击下的动态变形(点击可查看相关案例详情)。VIC-3D 系统不仅可以提供被测材料动态变形的时间历程,而且可以重建三维(3D)变形过程。DIC 技术可以提供更全面的变形信息,以帮助更好地了解 BABT 机制。



实验方法:采用 3D-DIC 技术来测量高速弹丸冲击下防弹层压板和作战头盔表面的瞬态变形。此外,利用动态变形和全场应变的结果来改进其有限元模型。采用 VIC-3D 系统测量手枪子弹穿透战斗头盔覆盖人头的情况,并获得了头盔正面的动态响应。开发了一种使用 3D-DIC 数据评估弹道头盔钝器损伤的实验方法。



使用从 VIC-3D 系统测得的 BFD 动能来计算钝器标准,然后基于钝器标准值与缩写损伤量表(AIS)水平之间的关系来预测头部钝器损伤的严重程度,尤其是颅骨的可能性断裂。使用 VIC-3D 系统测量了十二枚复合板在受到弹道冲击时的动态 BFD。通过比较变形过程,变形速度,应变时间历程和空间分布,确定了最佳的复合设计方案。




在本研究项目中,构建了同步测试系统运用相同的实验方法来研究步枪子弹穿透防弹衣的 BFD 情况进而了解防弹衣 BABT 机制。

实验设置:测试系统的示意图如下所示,VIC-3D 系统使用一对高速摄像机以一定角度同时从不同角度捕获同一图像。高速摄影以每秒20,000帧的速度进行,分辨率为1,280 X 800像素,曝光时间为50μs。使用照明系统来增加散斑亮度并清楚地捕捉到弹道现象。从枪口到防弹衣正面的射击距离约为15m。子弹的速度是用计时器在从其正面到枪口3m的距离处测量的。这两个摄像机同时接收到来自红外线的触发,该触发由步枪的枪口火焰激活。


▲ 测试系统装置示意图

研究的防弹衣由99.5%的 Al2O3 瓷砖和 UHMWPE 纤维增强的层压板衬砌组成。为了准备用于 VIC-3D 系统测试的防弹衣装甲,在装甲的背面喷涂了称为散斑的白色哑光漆。防弹衣背面的散斑是 VIC-3D 系统分析的基础。根据分辨率和图片尺寸之间的关系,确定最佳散斑尺寸在1.17mm和2.34mm之间,最后选择1.524mm。通过 VIC-3D 系统软件生成散斑图像,将斑点印在纹身贴纸上,并涂在预期会发生变形的装甲背面上(如下图所示)。

▲ 实验散斑制作

在测试之前,必须先对 VIC-3D 系统进行校准,建议的校正板尺寸约为摄像机视野的80%。下图显示了此工作中使用的校正板以及软件校正过程。通过两个高速相机同步捕获一组具有校正板不同姿势的校准图像,运用软件对图像进行分析计算建立 3D 坐标系。


▲ 使用校正板建立3D坐标系


然后,使用 VIC-3D 系统进行步枪子弹穿透固定在架子上的 NIJ III 级陶瓷/ UHMWPE 防弹衣的弹道冲击。拍摄前,须确认高速 VIC-3D 测试系统和红外触发是否同时处于触发模式。通过在每个防弹衣正面的中心发射 7.62x39 毫米子弹进行三组实验,速度分别为675.4 m/s、676.1 m/s 、 675.1 m/s。测试后,从 VIC-3D 系统后处理软件获得防弹衣背面的 3D 数据和全场变形信息。

▲ 实验现场装置图
实验结果与讨论:防弹衣最大变形点测得的 BFD 的时间历程如下图1左边所示,从曲线可以看出,冲击速度 675.4m/s 和 675.1m/s 的实验结果相似。但是,冲击速度 676.1m/s 的实验结果高于其他两组,这可能是由于冲击点位置太靠近瓷砖边缘所致。以冲击速度 675.4 m/s 为例,BFD 的高度在约1.2 ms内急剧增加到最大值34.3mm。达到最大值后,随着 UHMWPE 层压板的弹性变形恢复,它开始回弹至28.4mm。之后,它在25毫秒内缓慢下降到约24mm的静态变形高度,这表明 BFD 发生了永久性塑性变形。图1右边显示了射击后防弹衣正面和背面的弹孔,子弹穿透陶瓷时消耗了大量的动能,子弹孔处的瓷砖严重破裂。但是,周围的瓷砖没有可见的破裂。在与陶瓷相互作用期间,子弹的钢芯变成蘑菇形,因此不会穿透 UHMWPE背板。UHMWPE 背衬通过塑性变形吸收了剩余的冲击动能,射击后防弹背上出现了明显的凸起。
▲图1.防弹衣 BFD 变形曲线与弹孔
如图2所示,给出了 VIC-3D 系统测量的 7.62x39 毫米步枪子弹以 675.4 m/s 的打击速度撞击防弹衣的动态BFD 结果。从图中可以看到,BFD 的形状类似于圆锥形,圆锥形的高度和底部直径在11.90ms 之前随时间增加,装甲的整个背面在加载过程中几乎变形。锥体的最大高度可以达到34.3毫米,此后,锥体的体积因为弹性能而减小,最终高度为24 mm。


▲图2.VIC-3D系统展示的BFD形状


如下图3所示,O是背面最大变形高度的点,LAB是水平线通过点O,LCD是垂直线通过点O。VIC-3D 系统测量了 LAB 和 LCD 显示在下图4中。每条曲线都显示了 BFD 在特定情况下的轮廓。红色曲线表示加载阶段的 BFD 轮廓,而蓝色曲线表示卸载阶段的轮廓。

▲图3.线段位置示意图

从下图4中可以看到,在10.70ms-10.85ms的时间内,BFD 的高度从6.2mm迅速增加到21.7mm。此后,变形速率减慢,最大 BFD 达到 11.90ms。然后 BFD 开始下降,在12.5 ms,13.3ms 和 22.45ms时 BFD 的高度分别为32.1mm,28.5mm 和 24.1mm。图4(b)中轮廓线的变化规律与图4 (a) 中轮廓线的变化规律一致。但是,由于防弹衣弯曲的影响,LCD (b) 的宽度略小于 LAB (a) 。

▲图4.BFD的线切片轮廓LAB(a)和LCD(b)

下图5显示了最大 BFD 点的位移、速度和加速度的时间曲线。三个红点代表最大 BFD 处的相应物理量。正面变形的最大速度在0.1ms内急剧增加到129.9m/s。然后速度开始降低,并且在11.9ms之后可以发现负速度,表明BFD的高度开始降低。从加速度-时间曲线可以观察到两个峰值。在达到最大正值1.29e6 m/s^2之后,加速度急剧下降,并在10.80ms处达到最大负值-6.6e5m/s^2。


▲图5.最大BFD点的位移(a)速度(b)和加速度(c)


结论:VIC-3D 系统自带采集软件能精确控制高速相机图像采集,模拟弹丸射击工况,定量评估光源和散斑质量确保了数据分析的准确性。VIC-3D 系统数字图像分析提供多种全视场变形特性表征方式,3D位移数据、面转动数据、以及多种应变张量选择。让此次防弹衣装甲钝伤(BABT)研究具备多样呈现,数据结果更为全面,为科研工作者提供了更加全面的数据参考。

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VIC-3D 测量防弹衣动态背面变形

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