最近一項關于 VIC-3D 系統應用于防彈衣背面變形(BFD)的研究報告發表在了《Journal of Physics : Conference Series 》。該實驗使用了 Correlated Solutions 的尖端 3D 數字圖像相關技術來測量防彈衣的背面變形(BFD),評估防彈衣的性能以及對裝甲鈍傷(BABT)機理的研究。VIC-3D 系統精確控制高速相機捕捉真實數字圖像數據,精確分析并直觀顯示全場變形、BFD 的線切片輪廓、變形速度和加速度數據結果 。
實驗背景:防彈衣的使用大大減少了穿透傷,并挽救了許多士兵的生命。防彈衣可以阻止彈丸,但是在裝甲鈍傷(BABT)之后產生的沖擊仍可能對身體造成嚴重傷害,防彈衣背面變形(BFD)是裝甲鈍傷(BABT)的主要原因。隨著防彈衣的重量減輕,彈道沖擊下更大 BFD 的可能性也會增加。通過 VIC-3D 系統直觀模擬彈丸高速沖擊防彈衣裝甲實驗測試 BFD,進一步研究 BABT 損傷機理和提升鎧甲防護水平。
實驗方法:采用 3D-DIC 技術來測量高速彈丸沖擊下防彈層壓板和作戰頭盔表面的瞬態變形。此外,利用動態變形和全場應變的結果來改進其有限元模型。采用 VIC-3D 系統測量手槍子彈穿透戰斗頭盔覆蓋人頭的情況,并獲得了頭盔正面的動態響應。開發了一種使用 3D-DIC 數據評估彈道頭盔鈍器損傷的實驗方法。
使用從 VIC-3D 系統測得的 BFD 動能來計算鈍器標準,然后基于鈍器標準值與縮寫損傷量表(AIS)水平之間的關系來預測頭部鈍器損傷的嚴重程度,尤其是顱骨的可能性斷裂。使用 VIC-3D 系統測量了十二枚復合板在受到彈道沖擊時的動態 BFD。通過比較變形過程,變形速度,應變時間歷程和空間分布,確定了最佳的復合設計方案。
在本研究項目中,構建了同步測試系統運用相同的實驗方法來研究步槍子彈穿透防彈衣的 BFD 情況進而了解防彈衣 BABT 機制。實驗設置:測試系統的示意圖如下所示,VIC-3D 系統使用一對高速攝像機以一定角度同時從不同角度捕獲同一圖像。高速攝影以每秒20,000幀的速度進行,分辨率為1,280 X 800像素,曝光時間為50μs。使用照明系統來增加散斑亮度并清楚地捕捉到彈道現象。從槍口到防彈衣正面的射擊距離約為15m。子彈的速度是用計時器在從其正面到槍口3m的距離處測量的。這兩個攝像機同時接收到來自紅外線的觸發,該觸發由步槍的槍口火焰激活。

▲ 測試系統裝置示意圖
研究的防彈衣由99.5%的 Al2O3 瓷磚和 UHMWPE 纖維增強的層壓板襯砌組成。為了準備用于 VIC-3D 系統測試的防彈衣裝甲,在裝甲的背面噴涂了稱為散斑的白色啞光漆。防彈衣背面的散斑是 VIC-3D 系統分析的基礎。根據分辨率和圖片尺寸之間的關系,確定最佳散斑尺寸在1.17mm和2.34mm之間,最后選擇1.524mm。通過 VIC-3D 系統軟件生成散斑圖像,將斑點印在紋身貼紙上,并涂在預期會發生變形的裝甲背面上(如下圖所示)。

▲ 實驗散斑制作
在測試之前,必須先對 VIC-3D 系統進行校準,建議的校正板尺寸約為攝像機視野的80%。下圖顯示了此工作中使用的校正板以及軟件校正過程。通過兩個高速相機同步捕獲一組具有校正板不同姿勢的校準圖像,運用軟件對圖像進行分析計算建立 3D 坐標系。

然后,使用 VIC-3D 系統進行步槍子彈穿透固定在架子上的 NIJ III 級陶瓷/ UHMWPE 防彈衣的彈道沖擊。拍攝前,須確認高速 VIC-3D 測試系統和紅外觸發是否同時處于觸發模式。通過在每個防彈衣正面的中心發射 7.62x39 毫米子彈進行三組實驗,速度分別為675.4 m/s、676.1 m/s 、 675.1 m/s。測試后,從 VIC-3D 系統后處理軟件獲得防彈衣背面的 3D 數據和全場變形信息。
實驗結果與討論:防彈衣最大變形點測得的 BFD 的時間歷程如下圖1左邊所示,從曲線可以看出,沖擊速度 675.4m/s 和 675.1m/s 的實驗結果相似。但是,沖擊速度 676.1m/s 的實驗結果高于其他兩組,這可能是由于沖擊點位置太靠近瓷磚邊緣所致。以沖擊速度 675.4 m/s 為例,BFD 的高度在約1.2 ms內急劇增加到最大值34.3mm。達到最大值后,隨著 UHMWPE 層壓板的彈性變形恢復,它開始回彈至28.4mm。之后,它在25毫秒內緩慢下降到約24mm的靜態變形高度,這表明 BFD 發生了永久性塑性變形。圖1右邊顯示了射擊后防彈衣正面和背面的彈孔,子彈穿透陶瓷時消耗了大量的動能,子彈孔處的瓷磚嚴重破裂。但是,周圍的瓷磚沒有可見的破裂。在與陶瓷相互作用期間,子彈的鋼芯變成蘑菇形,因此不會穿透 UHMWPE背板。UHMWPE 背襯通過塑性變形吸收了剩余的沖擊動能,射擊后防彈背上出現了明顯的凸起。如圖2所示,給出了 VIC-3D 系統測量的 7.62x39 毫米步槍子彈以 675.4 m/s 的打擊速度撞擊防彈衣的動態BFD 結果。從圖中可以看到,BFD 的形狀類似于圓錐形,圓錐形的高度和底部直徑在11.90ms 之前隨時間增加,裝甲的整個背面在加載過程中幾乎變形。錐體的最大高度可以達到34.3毫米,此后,錐體的體積因為彈性能而減小,最終高度為24 mm。

▲圖2.VIC-3D系統展示的BFD形狀
如下圖3所示,O是背面最大變形高度的點,LAB是水平線通過點O,LCD是垂直線通過點O。VIC-3D 系統測量了 LAB 和 LCD 顯示在下圖4中。每條曲線都顯示了 BFD 在特定情況下的輪廓。紅色曲線表示加載階段的 BFD 輪廓,而藍色曲線表示卸載階段的輪廓。
從下圖4中可以看到,在10.70ms-10.85ms的時間內,BFD 的高度從6.2mm迅速增加到21.7mm。此后,變形速率減慢,最大 BFD 達到 11.90ms。然后 BFD 開始下降,在12.5 ms,13.3ms 和 22.45ms時 BFD 的高度分別為32.1mm,28.5mm 和 24.1mm。圖4(b)中輪廓線的變化規律與圖4 (a) 中輪廓線的變化規律一致。但是,由于防彈衣彎曲的影響,LCD (b) 的寬度略小于 LAB (a) 。▲圖4.BFD的線切片輪廓LAB(a)和LCD(b)下圖5顯示了最大 BFD 點的位移、速度和加速度的時間曲線。三個紅點代表最大 BFD 處的相應物理量。正面變形的最大速度在0.1ms內急劇增加到129.9m/s。然后速度開始降低,并且在11.9ms之后可以發現負速度,表明BFD的高度開始降低。從加速度-時間曲線可以觀察到兩個峰值。在達到最大正值1.29e6 m/s^2之后,加速度急劇下降,并在10.80ms處達到最大負值-6.6e5m/s^2。

▲圖5.最大BFD點的位移(a)速度(b)和加速度(c)
結論:VIC-3D 系統自帶采集軟件能精確控制高速相機圖像采集,模擬彈丸射擊工況,定量評估光源和散斑質量確保了數據分析的準確性。VIC-3D 系統數字圖像分析提供多種全視場變形特性表征方式,3D位移數據、面轉動數據、以及多種應變張量選擇。讓此次防彈衣裝甲鈍傷(BABT)研究具備多樣呈現,數據結果更為全面,為科研工作者提供了更加全面的數據參考。
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