【数字揭秘】防弹背心

在这个话题上，防弹背心确实是 1975 年由理查德·戴维斯 (Richard Davis) 创造的工程技术奇迹。紧密分层的尼龙与多根交织纤维形成了致密的网状结构，它可以消散子弹的爆炸能量，防止穿透织物。戴维斯发现很难让人们相信他的发明确实有效，因此决定通过朝自己的肚子开一枪来证明这一点！直到今天，戴维斯已经被射中 200 多次，以证明他的背心是有效的。显然，“第一个是为了科学，其余的是为了演艺。” 不确定即使是詹姆斯邦德是不是也会这样做......

虽然防弹背心为穿戴者提供了实质性的保护，但由于子弹或弹道产生的合力，仍然存在受伤甚至死亡的风险。 背心可能会阻挡子弹，但动能必须去某个地方，不幸的是，对于穿戴者来说，能量通常会传递到他们的身体上。正因为如此，在防护领域提供解决方案的公司，希望研究这些力量对人体的影响，以生产更好的盔甲和防护服，提高穿戴者的安全和防护。这需要有效的测试设备和对弹道冲击、防护服、人体的精确建模。

传统上，像后装甲钝器创伤钻机 (BABT) 这样的测试设备会测量个人防护水平，但是，很难评估结果是否适用于真人而不仅仅是假人。与理查德·戴维斯不同的是，并不是每个人都愿意成为测试对象并自己拍摄，看看新设计的防护服是否真的有效。

杜邦是一家防护服材料的制造商和生产商，开发了一种更准确的测试设备，称为动态创伤分析仪 (DTA)。该装置包含一个由超弹性材料制成的半圆柱形胸部替代物、一个钢架用于支撑这个胸部替代物和防护服，以及一个测量系统。其他测试装置的主要问题之一，是只能看到一部分的结果，仅能测量明胶块的残余变形。DTA 通过记录身体区域（例如胸部）的完整动态生物力学响应，以及位移和速度曲线，让工程师能够获得完整的仿真结果。

杜邦公司发明的动态创伤分析仪 (DTA)

为了设计更有效的防护方案，杜邦对数字再现 DTA 的试验很感兴趣，因此法国工程公司 CEDREM 帮助进行了一项协作研究，以模拟子弹、防护方案和 DTA 行为。

在这项研究中，杜邦使用了三种不同的子弹：9 毫米、.44 马格南（Magnum）和 .357 马格南（Magnum），CEDREM 已经提供了它们的数字模型。（顺便说一句，这些子弹属于詹姆斯邦德电影中使用过的枪）。所有这三种子弹类型都由铜外壳和铅芯组成，使用实体单元划分网格。

试验中使用3种不同类型的子弹

在这项研究中，CEDREM 研究了微观和宏观的方法来建立这种材料的准确数值模型。首先，使用 Altair Radioss 采取宏观方法来构建由单层壳单元组成的模型，同时充分探索其他壳单元属性的公式和材料载荷的可能性。然后将其结果与使用 CEDREM 的 KTex 系列的微观方法进行比较，这是一套专门用于在纱线尺度上精确建模复合材料的工具。由于微观和宏观结果几乎相同，因此采用宏观方法来减少计算时间。

由于 DTA 的材料由超弹性橡胶组成，因此进行准静态和动态压缩测试以评估应变率对参数的影响，从而可以建立准确的数值模型。结果的曲线显示材料没有应变率依赖性，让 CEDREM 工程师确信他们的仿真模型是准确的。

低速压缩试验

高速压缩试验

下一步是验证数值模型。将 9 毫米子弹撞击的物理试验结果，与准确代描述杜邦产品和子弹撞击的仿真结果进行了比较。从实际测试来看，DTA 背面在 4.1ms 时的最大变形为 22.2mm，而仿真结果在 3.79ms 时的变形为 22.6mm，这使团队相信数值模型是准确的。此外，受到冲击时，穿孔的保护层数量显示出非常相似的结果。同样的，使用 0.44 Magnum 和 0.357 Magnum 子弹进行仿真-试验对标，两者都显示出准确的结果。

正如任何詹姆斯邦德的粉丝会告诉你的那样，9 毫米是邦德首选的瓦尔特 PPK 口径最接近的子弹。那些较大的 0.44 Magnum 口径子弹专用于需要额外火力的特殊情况，例如在 《007之你死我活》中救援 Solitaire。实验室测试支持的仿真测试，对于确保防护服适用于各种弹药尺寸非常重要。

模拟9毫米子弹的冲击

CEDREM 的另一个工具是 HUByx（男女通用生物力学模型 XY），这是一种有限元人体模型，由 CT 扫描创建，具有大多数内部器官的精确表征。该工具专为防护应用而开发，专注于钝性冲击和爆炸载荷，使测量人体内压力传播成为可能。

出于研究的目的，从 DTA 子弹撞击中收集的数据用于使用 HUByx 进行模拟，以研究穿着防护服时人体在这种条件下的反应。

根据撞击位置的不同，人体的反应会有所不同。例如，对肋骨的撞击与对胃的撞击产生的结果不同。CEDREM 考虑到了这一点，并对两种结果进行了模拟以分析结果。

最初，肺的位移被记录为 DTA 所代表的位移。然而，由于人体根据撞击位置不同而呈现不同结果，因此研究肋骨或皮肤的位移更为一致。

这项研究的结果表明，数值仿真计算的结果和实验设备测量的结果之间存在良好的相关性。 能够在物理和虚拟环境中测试防护服，使产品设计人员能够探索不同选项、验证性能并自信地生产能够应对用户挑战的产品。这些仿真和数据驱动的决策，使得生产能够提高救命机会的产品成为可能。这项技术应用于国防部门其他应用场景的潜力非常大。

正如我们所确定的，防弹背心可以阻止子弹，但由此产生的力量可能会导致穿戴者受伤或死亡。更重要的是，撞击的位置会对受伤类型或严重程度产生巨大的影响。

因此，通过实施所述技术，产品设计师可以获得更清晰、更详细的结果，为他们在设计阶段提供方案。获得这样的结果可以让产品设计师调查他们产品的有效性并相应地进行优化。詹姆斯邦德获得一些尖端技术已经不是什么秘密了，但在我们的书中，通过结合人体的准确有限元模型，来测试防护服免受子弹射击的有效性非常酷！

通过 Altair 合作伙伴联盟（APA），Altair 用户可以使用 CEDREM 的 KTex 系列和 HUByx 工具。