RU148811U1

RU148811U1 - BALLISTIC HEAD SIMULATOR FOR DETERMINING THE PROTECTIVE PROPERTIES OF HELMETS

Info

Publication number: RU148811U1
Application number: RU2014112401/14U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Юрьевич Ковалев; Александр Альбертович Котосов; Дмитрий Николаевич Луценко; Михаил Васильевич Тюрин
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2014-12-20

Abstract

Баллистический имитатор головы для оценки защитных свойств шлемов при непроникающем воздействии поражающими элементами боеприпасов, выполненный в соответствии с антропологическими параметрами головы человека и включающий нижнее жесткое основание и верхнюю часть, состоящую из четырех алюминиевых лепестков, покрытых пластической оболочкой, при этом алюминиевые лепестки образуют заполненную жидкостью полость, внутри которой на линии удара расположен датчик давления, а в центре основания установлен датчик ускорения, отличающийся тем, что дополнительно введены три датчика ускорения, все датчики ускорения размещены в алюминиевых лепестках с использованием отверстия для крепления алюминиевых лепестков к основанию, а основание выполнено в виде мини-саней или встраиваемого имитатора шейного отдела позвоночника.A ballistic head simulator for assessing the protective properties of helmets during non-penetrating impact by ammunition striking elements, made in accordance with the anthropological parameters of the human head and including a lower rigid base and an upper part consisting of four aluminum petals covered with a plastic shell, while the aluminum petals form a cavity filled with liquid inside of which a pressure sensor is located on the line of impact, and an acceleration sensor is installed in the center of the base, characterized in that three acceleration sensors were additionally introduced, all acceleration sensors are placed in aluminum lobes using an opening for attaching aluminum lobes to the base, and the base is made in the form of mini-sledges or an integrated imitator of the cervical spine.

Description

Полезная модель относится к устройствам для испытания средств индивидуальной защиты человека, в частности к баллистическим испытательным стендам для оценки защитных свойств шлемов от воздействия высокоскоростных поражающих элементов боеприпасов и вторичных осколков.The utility model relates to devices for testing personal protective equipment, in particular to ballistic test benches for evaluating the protective properties of helmets from the effects of high-speed damaging elements of ammunition and secondary fragments.

Многочисленные экспериментальные данные [1] свидетельствуют, что нанесение тупой черепно-мозговой травмы (ЧМТ) различной тяжести возможно и без пробития защитного шлема, и, соответственно, без непосредственного контакта ПЭ с объектом защиты. Формирование тупой ЧМТ при этом происходит по причине динамического воздействия защитного шлема на объект защиты вследствие смещения как конструкции шлема в целом, так и его локального деформирования в области удара ПЭ, которые сопровождаются контактом и передачей части энергии на голову.Numerous experimental data [1] indicate that blunt traumatic brain injury (TBI) of varying severity is possible without breaking through a protective helmet, and, accordingly, without direct contact of PE with the object of protection. The formation of a blunt head injury occurs due to the dynamic impact of the protective helmet on the object of protection due to the displacement of both the helmet structure as a whole and its local deformation in the PE impact region, which are accompanied by contact and transfer of some energy to the head.

Известен стандарт NIJ Standard 0106.01 [2], который регламентирует методы испытаний для войсковых шлемов с намерением защиты головы владельца от воздействия поражающих элементов боеприпасов. В соответствии с данным стандартом, при испытаниях на тупой удар, при непробитии ПЭ шлема, используется сплошной макет головы, выполненный из любого подходящего материала, например магниевого сплава К-1А, с размещенным внутри датчиком ускорения. Макет головы, должен быть жестко закреплен на основании, которое может свободно перемещаться в направлении движения ПЭ. Общая масса модели головы и инструментальной сборки должна быть 5,0±0,5 кг (11±1,1 фунта) и статическая сила, направленная параллельно движению ПЭ, необходимая для начала движения сборки не может превышать 9 Н.Known standard NIJ Standard 0106.01 [2], which regulates test methods for military helmets with the intention of protecting the wearer's head from the effects of damaging elements of ammunition. In accordance with this standard, when testing for a blunt shock, when the PE helmet is not broken, a solid head layout is used, made of any suitable material, for example, K-1A magnesium alloy, with an acceleration sensor located inside. The layout of the head should be rigidly fixed to the base, which can freely move in the direction of movement of the PE. The total mass of the head model and the tool assembly should be 5.0 ± 0.5 kg (11 ± 1.1 lb) and the static force directed parallel to the PE movement, necessary to start the assembly movement, cannot exceed 9 N.

Регистрация ускорения позволяет рассчитать величину перегрузки и судить о ее допустимой или не допустимой величине. Так по требованию выше названного стандарта величина пикового ускорения шлема не должна превышать 400 g.Acceleration registration allows you to calculate the magnitude of the overload and judge its allowable or not allowable value. So, at the request of the above-mentioned standard, the peak acceleration of the helmet should not exceed 400 g.

Известен макет головы [3] для оценки динамического воздействия шлема, выполненный в соответствии с антропометрическими параметрами головы человека (см. ГОСТ 12.4.128-83), отличающийся тем, что он состоит из двух частей - жесткого основания и укрепленной на нем верхней съемной части, имеющей форму половины эллипсоида и выполненной из пластичного материала, имеющего заданную энергоемкость деформации единицы объема. Кроме того, в отличие от стандарта NIJ Standard 0106.01 в документе HPW-ТР-0401.01 В [4] имитатор головы состоит из верхней части макета головы и нижней части - собственно муляжа, см. рисунок 1. Макет состоит: 1 - лепестки, 2 - пластилин, 3 - основание. Факт пробития или удара локально деформированного шлема по объекту защиты определяется по отпечатку в пластичном материале (баллистическом пластилине).Known layout of the head [3] for assessing the dynamic effects of the helmet, made in accordance with the anthropometric parameters of the human head (see GOST 12.4.128-83), characterized in that it consists of two parts - a hard base and mounted on top of the removable part having the shape of a half ellipsoid and made of plastic material having a predetermined energy intensity of deformation of a unit volume. In addition, unlike the NIJ Standard 0106.01 in document HPW-TP-0401.01 In [4], the head simulator consists of the upper part of the head model and the lower part - the actual model, see Figure 1. The model consists of: 1 - petals, 2 - plasticine, 3 - base. The fact of breaking or hitting a locally deformed helmet on the object of protection is determined by the imprint in the plastic material (ballistic plasticine).

Регистрация объема отпечатка в пластилине позволяет выполнить сравнительную оценку ударостойкости двух и более шлемов.Registration of the print volume in clay allows a comparative assessment of the impact resistance of two or more helmets.

Известны также биомеханические имитаторы головы человека БИТ-1 и БИГ-2, соответственно жесткая и эластичная эллипсоидальная оболочка которых формируют полости, заполненные жидкостью, с установленными датчиками давления [5]. Наличие датчика давления позволяет регистрировать изменение величины избыточного давления в реальном времени и рассчитывать такие величины как импульс давления и отношение импульса давления к его продолжительности, которые и используют для сравнительной оценки ударостойкости двух и более шлемов, при непробитии последних ПЭ боеприпаса.Also known are biomechanical imitators of the human head BIT-1 and BIG-2, respectively, the rigid and elastic ellipsoidal shell of which is formed by cavities filled with liquid with pressure sensors installed [5]. The presence of a pressure sensor allows you to record the change in the overpressure value in real time and calculate such values as the pressure pulse and the ratio of the pressure pulse to its duration, which are used to comparatively evaluate the impact resistance of two or more helmets when the last PE ammunition is not broken.

Анализ представленных выше макетов и имитаторов головы показывает, во-первых, однообразный подход в геометрии модели имитатора и, во-вторых, в раздельном использовании двух типов датчиков: вибропреобразователя (акселерометра) и пьезоэлектрического датчика (датчика давления). Особенностью применения акселерометра является необходимость обеспечения его жесткой связи с объектом защиты, особенностью использования пьезоэлектрического датчика является необходимость его размещения в жидкой (внутриполостной) среде.An analysis of the above models and head simulators shows, firstly, a uniform approach to the geometry of the simulator model and, secondly, the separate use of two types of sensors: a vibration transducer (accelerometer) and a piezoelectric sensor (pressure sensor). A feature of the application of the accelerometer is the need to ensure its tight connection with the object of protection, a feature of using a piezoelectric sensor is the need to place it in a liquid (intracavitary) environment.

Задачей, решаемой предлагаемой полезной модели, является реализация совместного применения в одном имитаторе головы акселерометра и пьезоэлектрического датчика, что существенно повышает информативность выполняемых баллистических испытаний шлемов, и позволяет определить параметры процесса формирования повреждения (тупой черепно-мозговой травмы) при не пробитии высокоскоростными поражающими элементами шлема.The objective of the proposed utility model is the implementation of the joint use of an accelerometer head and a piezoelectric sensor in one simulator, which significantly increases the information content of the performed ballistic tests of helmets, and allows you to determine the parameters of the damage formation process (blunt traumatic brain injury) without penetration by high-speed damaging elements of the helmet .

Сущность полезной модели поясняется эскизом, где показан общий вид баллистического имитатора головы, рисунок 2. Выбираем типовую, по документу HPW-TP-0401.01B [4], имитатор головы ATC (Aberdeen Test Center) и полость между алюминиевыми (дюралевыми) лепестками заполняем не пластилином, а жидкостью (водой). Для этого, на верхнюю часть модели головы, по аналогии с моделью БИГ-1, надеваем каучуковую оболочку и фиксируем ее на базовой пластине.The essence of the utility model is illustrated by a sketch, which shows the general view of a ballistic head simulator, Figure 2. We select a typical, according to HPW-TP-0401.01B [4], head simulator ATC (Aberdeen Test Center) and do not fill the cavity between the aluminum (duralumin) petals plasticine, and liquid (water). To do this, on the top of the head model, by analogy with the BIG-1 model, we put on a rubber sheath and fix it on the base plate.

Верхние части, включая базовую пластину (base plate), сделаны из 6061-Т6 алюминия или его эквивалента. Нижняя часть модели головы (lower head form) по сути, представляет собой муляж, который может быть изготовлен из пластизоли.The upper parts, including the base plate, are made of 6061-T6 aluminum or its equivalent. The lower part of the head model (lower head form) is essentially a dummy that can be made of plastisol.

При этом пьезоэлектрический датчик (сфера - желтого цвета) располагаем также как и в модели БИГ-2 - у основания, т.е над базовой пластиной, а акселерометр (сфера - красного цвета) под базовой пластиной.In this case, we place the piezoelectric sensor (sphere - yellow) as in the BIG-2 model - at the base, i.e. above the base plate, and the accelerometer (sphere - red) under the base plate.

Возможно, увеличение числа датчиков ускорения до 4-х и в этом случае их можно разместить непосредственно в каждом из 4-х алюминиевых лепестков, используя для этого отверстия для крепления последних к базовой пластине. Модель головы БИГ-4 (БИГ-3), для проведения испытаний ударостойкости шлемов, следует устанавливать на мини-сани (основание), что соответствует требованиям стандарта NIJ Standard-0106.01. Либо использовать встраиваемый имитатор шейного отдела позвоночника.It is possible that the number of acceleration sensors can be increased to 4, and in this case they can be placed directly in each of the 4 aluminum petals, using holes for attaching the latter to the base plate. The head model BIG-4 (BIG-3), for testing the impact resistance of helmets, should be installed on a mini-sled (base), which meets the requirements of the NIJ Standard-0106.01 standard. Or use the built-in simulator of the cervical spine.

Практическая отработка баллистического имитатора головы в составе испытательного стенда показана на рисунке 3. Примеры полученных регистраций сигналов от трех осевого акселерометра и пьезоэлектрического датчика давления показаны на рисунке 4.Practical testing of a ballistic head simulator as part of a test bench is shown in Figure 3. Examples of the received signal recordings from three axial accelerometers and a piezoelectric pressure sensor are shown in Figure 4.

Таким образом, предлагаемый баллистический имитатор головы позволяет на одном испытании при не пробитии (не разрушении) шлема различными поражающими элементами регистрировать одновременно такие параметры процесса формирования повреждения как ускорение (перегрузка) объекта защиты (головы) и величину избыточного внутриполостного давления в реальном времени.Thus, the proposed ballistic head simulator allows, in one test, without penetrating (not destroying) the helmet with various damaging elements, simultaneously registering such parameters of the damage formation process as acceleration (overload) of the protection object (head) and the amount of excess intracavitary pressure in real time.

Источники информацииInformation sources

1. Котосов А.А., Логаткин С.М., Зигунов С.П. Критерии и методы оценки эффективности поражающих элементов боеприпасов при непробитии общевойскового шлема. [Текст]/ под общей ред. А.А. Котосова - Пенза: ПАИИ, 2007. - 195 с.1. Kotosov A.A., Logatkin S.M., Zigunov S.P. Criteria and methods for assessing the effectiveness of the striking elements of ammunition in case of non-penetration of the combined arms helmet. [Text] / ed. A.A. Kotosova - Penza: PAII, 2007 .-- 195 p.

2. Standard for Ballistic Helmets (NIJ Standard-0106.01), U.S. Departament of Justice, National Institute of Justice, Washington D.C., December 1981.2. Standard for Ballistic Helmets (NIJ Standard-0106.01), U.S. Departament of Justice, National Institute of Justice, Washington D.C., December 1981.

3. Патент 2115957 Российская Федерация, МКИ⁶ G09B 23/30. Модель головы [Текст]/ Котосов А.А., Тюрин М.В. и др.; заявитель и патентообладатель они же. №96124792/12; заявл. 31.12.96; опубл. 20.07.98. Бюл. №20. - 3 с: ил.3. Patent 2115957 Russian Federation, MKI ⁶ G09B 23/30. Head model [Text] / Kotosov A.A., Tyurin M.V. and etc.; the applicant and the patent holder are the same. No. 96124792/12; declared 12/31/96; publ. 07/20/98. Bull. No. 20. - 3 s: ill.

4. HPW-TP-0401.01B (1995). Bullet resistant helmet. Test procedure.4. HPW-TP-0401.01B (1995). Bullet resistant helmet. Test procedure.

5. Патент (полезная модель) 7537. Модель головы человека биомеханическая. МКИ⁶ G09B 23/30. А.В. Морозкин и др. (Россия), НИИстали, заявл. 97110792 от 04.07.97, опубл. 16.08.98.5. Patent (utility model) 7537. The human head model is biomechanical. MKI ⁶ G09B 23/30. A.V. Morozkin et al. (Russia), NIIstali, declared. 97110792 from 07/04/97, publ. 08/16/98.

Claims

A ballistic head simulator for assessing the protective properties of helmets during non-penetrating impact by ammunition striking elements, made in accordance with the anthropological parameters of the human head and including a lower rigid base and an upper part consisting of four aluminum petals covered with a plastic shell, while the aluminum petals form a cavity filled with liquid inside of which a pressure sensor is located on the line of impact, and an acceleration sensor is installed in the center of the base, characterized in that three acceleration sensors were additionally introduced, all acceleration sensors are placed in aluminum lobes using an opening for attaching aluminum lobes to the base, and the base is made in the form of mini-sledges or an integrated imitator of the cervical spine.