2.应急救生与安全防护湖北省重点实验室 襄阳 441003；
3.航天化学动力技术重点实验室 襄阳 441003
摘要：防护眼镜虽能对士兵的眼镜提供一定的保护，但战场环境风云突变，稍有不慎会被破片伤害，造成非战斗性减员。本文从数值模拟的角度出发，考虑子弹以恒定的速度垂直入射镜片，对防护眼镜的侵彻过程进行了数值模拟。模拟结果表明：1. 子弹最终将以较高的速度打穿镜片；2. 子弹在侵彻初始阶段与镜片之间的作用力达到最大。本文的模拟结果可为防护眼镜的设计提供一定的理论指导。
关键词：风镜；速度；角度；子弹侵彻；数值模拟
引言
单兵作战所使用的防护眼镜一般分为护目镜和风镜，他们可以最大限度的起到保护战士眼睛的作用。但是，在高能高速子弹、爆炸碎片等的冲击下极有可能穿透镜片，伤害士兵的眼镜，严重时危及生命。因此，研究子弹对防护眼镜的侵彻过程非常有意义。
国内外对各种单兵防护眼镜[1-4]有关的介绍很多，但大多数都是关于其基本性能方面，如防雾性[5]、防辐射[6]等。目前有关子弹侵彻防护眼镜的相关课题研究较少，侵彻的对象主要集中于靶板和防弹。如蔡志华[7]等人对枪弹冲击防弹头盔致头部非贯穿性损伤进行了数值模拟研究，结果表明头盔通过背面变形接触头部易引起颅骨骨折与高颅内压力。罗少敏[8]等人使用有限元分析软件LS-DYNA研究了步枪弹侵彻带软硬复合防护明胶靶标的问题，结果显示陶瓷锥的形成是由压缩应力波和拉伸应力波共同作用的结果。邹渝[9]等人研究了单兵防弹衣对穿甲破片的防护效应后指出穿甲破片能够对单兵防弹衣形成较强冲击，部分破片侵彻防弹衣后，仍能致伤。此外，袁志华[10]等人基于LS-DYNA 对掘进武器前级聚能侵彻分析，主要影响因素为侵彻装置的药型罩厚度、起爆位置和选择炸药。
纵观文献，一方面，对于子弹侵彻防护眼镜的研究还未受到足够重视，但此课题非常重要。另一方面，我们在研究单兵防护武器的损坏和侵彻问题一般都使用有限元法，它可以节省大量的时间并得到相对合理的结果。因此，本文从数值模拟的角度，分析子弹以垂直角度对某风镜的作用过程，以期为未来的风镜设计提供参考，并最大程度的减少人员伤亡。
1 模型与物性参数
1.1模型介绍
图1 某型号防护镜片示意图 图2 简化后的计算模型图
图1所示为某型号防护镜片示意图。对模型进行有限元网格划分，考虑到模型的对称性，建立1/4有限元模型。子弹长2.6cm，半径0.45cm，子弹头长0.8cm，圆柱部分为1.8cm；眼镜长6.8cm，宽4.5cm，中心部分最薄为0.2cm，边缘0.44cm，倒角0.76cm，镜片外圆弧半径56cm，内圆弧半径16cm。简化后的计算模型如图2所示。
1.2网格划分
镜片网格划分时侵彻区域网格细分，采用0.04cm，非接触区域采用0.08cm的网格尺寸。1/4模型子弹单元数为9162个，镜片单元数为10705个，单元总数为19867个，节点总数为23778个。网格模型如下图3所示。（以下分别是1/4镜片网格模型，子弹网格模型，装配体网格模型）
图3 计算模型的网格划分图
1.3材料及单元算法
子弹为金属，采用弹塑性3号*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型，该模型可以较好的模拟金属弹性，塑性以及塑性硬化，失效等行为，密度为7.85g/cm3，杨氏模量为1.17MPa，泊松比为0.35，屈服强度为0.004MPa，切线模量为0.001MPa，失效应变为1.5。
军用防护镜材料为聚碳酸酯，在dyna中可以采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS本构模型来模拟该种材料。
子弹，镜片均采用的是8节点的solid164单元，这种低阶单元运算速度快，并且精度很高，采用实体单元1号算法，即缺省的常应力单元计算公式，这种算法采用体内单点积分，需要进行沙漏控制，是最有效和最稳定的8节点体单元算法，通过关键字*SECTION_SOLID定义单元算法。
由于采用的是对称模型，对模型对称边界处施加相应的对称约束，1/4模型对镜片以及子弹对称边界施加对称约束，对镜片其他两个侧面采用全部约束，约束的施加通过*BOUNDARY_SPC_SET来定义。
通过*INITIAL_VELOCITY_GENERATION对弹丸赋予500m/s的初始速度。设定弹丸和靶板的接触类型为面面侵蚀接触，接触关键字为*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE，设定动摩擦系数为0.15，静摩擦系数为0.1，打开对称边界（ISYM）以及侵蚀算法（EROSOP）选项，该种接触支持当靶板表面单元侵彻失效时，弹丸继续与剩下的单元发生接触，并通过*CONTROL_CONTACT设定接触刚度为10。
1.4其它参数设置
通过添加*CONTROL_BULK_VISCOSITY，二次粘性系数设为1，线性粘性系数设为0.08，来增加模型体积粘性，减少沙漏，并通过添加关键字*CONTROL_HOURGLASS，设置为6号沙漏类型，粘性系数为0.1，用来控制模型沙漏。并通过*DATABASE_RCFORC输出弹丸与复合材料的碰撞力。
2 数值模拟
图4 子弹侵彻镜片不同时刻的应力云图
图4所示为子弹在速度为500m/s时垂直侵彻镜片不同时刻的应力云图。从图中可以发现，子弹在侵彻镜片的过程中，镜片材料被不断侵入的弹体挤压而向四周扩散。同时子弹与镜片之间的冲击力随着侵彻过程的不断进行而向子弹尾部以及镜片的其他部位传递。最终子弹将以一定的剩余速度打穿镜片。
图6 子弹与镜片之间的接触力随时间的变化关系
图6所示为子弹与镜片之间的接触力随时间的变化关系曲线图。由图分析可知，子弹刚接触镜片时它们之间的接触力为0，侵彻开始过程一旦发生，作用力瞬时从0上升到最大值850N。随着侵彻过程的深入发展，作用力呈现出波纹状变化。在时间接近20μs时刻，子弹已完全穿透镜片，它们之间的作用力回复为0。
3 结论
本文利用有限元分析软件LS-dyna对子弹以一定速度垂直侵彻某风镜的过程进行了数值模拟计算，研究结果表明：
（1）子弹最终将以较高的速度打穿镜片，镜片对子弹的阻挡作用较小；
（2）子弹在侵彻初始阶段与镜片之间的作用力达到最大，之后以波纹状的曲线变化最终穿透镜片；
（3）在设计护目镜时可以从镜片的材料以及厚度等方面加以考虑，以防止高速破片对人体造成贯穿性损伤。
参考文献：
[1]邹振高，李俊红.国外防护眼镜的现状与发展趋势[J].防护装备技术研究，2015，1：29-31.
[2]刘玉飞.浅谈眼面部防护用品的选择、使用和维护[J].中国个人防护装备，2005，5：42-26.
[3]金枫.碳纤维框架护目镜[J].国外塑料，2010，28（5）：67.
[4]王刚.新型护目镜[J].中国个人防护装备，2002，3：40.
[5]李坚，刘佳一，张阳德.表面改性对光学眼镜膜增透防雾效果的影响[J].中国组织工程研究与临床康复，2010，14（8）：1418-1421.
[6]胡富根，徐揭敏，周淑英，等.复合型激光防护眼镜的激光防护效应观察[J].兵器激光，1986，3：50-54.
[7]蔡志华，包正，王威，等.枪弹冲击防弹头盔致头部非贯穿性损伤的数值模拟研究[J].兵工学报，2017，38（6）：1097-1105.
[8]罗少敏，徐诚，陈爱军，等.步枪弹侵彻带软硬复合防护明胶靶标的数值模拟[J].兵工学报，2014，35（8）：1172-1178.
[9]邹渝，李曙光，肖南.单兵防弹衣对穿甲破片的防护效应研究[J].医疗卫生装备，2015，36（11）：36-38.
[10]袁志华，王志军，李海卫.基于LS-DYNA的掘进武器前级聚能侵彻分析[J].四川兵工学报，2011，32（6）：1-3.
论文作者:杨威1，2，3,姚俊1，2，3,屈纯1，2，3,毛龙1
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/26
标签：镜片论文; 子弹论文; 模型论文; 网格论文; 数值论文; 单元论文; 破片论文; 《防护工程》2019年第1期论文;