防刺甲片的形状及搭接设计

基于仿生学原理，本文设计了一种新型防刺甲片，通过对甲片形状、搭接方式的设计，使这种防刺甲片在满足防刺标准的条件下，更加灵活、轻便、舒适。测试结果表明，与传统的防刺服相比，新型的甲片防刺服具有优良的防刺性能。

Based on bionics, a new type of stab-resistant armor shard was introduced, whose shape and overlap pattern were well-designed to meet the requirements described as stab-resistant, flexible, lightweight and comfortable. In terms of various tests, this new product was proved to be more stab-resistant than traditional ones.

1前言

随着恐怖、暴力恶性事件的频繁发生以及人们安全意识的提高，个体防护服装材料的设计和开发越来越受到各国研究者们的重视。而在我国，使用枪械弹药在某种程度上受到严格的限制，但来自匕首、刺刀等锐器的威胁却无处不在。从这个意义上来说，防刺服的设计与研发在我国有着很好的发展前景。

防刺服除了其本身保证优异的防穿透性能外，还要尽可能灵活、轻便及舒适。目前，我国的防刺服多采用钢板连接式。虽然这种防刺服防穿透性能优异，但其重量和刚性对人体活动有较大影响且舒适性差。图 1（a）所示为硬质警用防护服，其防刺插板（图 1（b））采用铝合金制造，防刺服总重量达 2.98 kg，虽然具有优异的防穿透性能，但笨重，使人活动很不方便且舒适性差。

针对上述缺点，本文开发了一种硬质甲片与软质织物相结合的新型甲片式增强复合防刺织物，使其在满足防刺标准的同时具有尽可能大的灵活性、轻便性和舒适性。该研究基于仿生学原理，在参考了鲫鱼鱼鳞的形状及鳞片搭接方式后，设计并改进了甲片的形状和搭接（图 2）。

鱼鳞的形状及搭接方式是自然选择的结果，这样可使其更适合它所在的环境。鱼鳞呈扇形，其搭接方式是后一层鳞片连续搭接在前一层两个鳞片之间，这使鱼在水中能自由游动且对其还有一定的保护作用。本研究的设计灵感就来源于此。

2甲片形状设计

将复合材料裁成近似鱼鳞状的甲片，如图 3 所示，上半部分为半径 20 mm的半圆，下半部分为长 40 mm、宽 20 mm的矩形，而下一层的上半部分覆盖在上一层的矩形上，制成复合防刺甲片。

由于工艺的局限，制作这种结构的模型相对较难且浪费材料。于是将圆形弧进行改进，裁成梯形（图 4），不仅可减轻一部分重量，且在安全系数不变的条件下降低了加工难度。同时将甲片下半部分也减掉一部分，从而使防刺甲片更加轻便（图 5）。

将改进后的甲片搭接，得到如图 6 所示的构造，其中A点为一小孔，存在安全隐患，故将甲片的上端活动端（即B部分）在垂直方向上增加 3 mm（图 7），这样就解决了A点可能被刺到这一弱点，使得整个甲片的安全系数更高。

经过初步分析，甲片的尺寸是越小越好，这样它的贴合度就越高，但也存在一些缺点：（1）对工艺要求高，不易加工，尤其是加工成本高；（2）在覆盖同等面积的条件下，甲片越小，相互间搭接越多，被刺到的概率就越高，从而降低了防刺系数。综合几方面的因素，长 40 mm、宽 43 mm的鱼鳞状甲片为最优选择。

3甲片搭接方式设计

甲片搭接设计原则是要满足甲片紧密连接，不能存在明显空隙而被刀直接刺到内部织物。因此可采用下一层甲片分别连续搭接在上一层两个紧密连接的甲片中间，进而挡住上一层甲片之间的空隙。如图 8 中（a）、（b）、（c）所示，将甲片 2 叠放在 1 上，让 2 中的L线与 1 中的L1重合，使甲片 2 位于甲片 1 中间。以此类推，上一层甲片的缝隙均被下层甲片覆盖。

4甲片连接设计

甲片的形状、大小已确定，但是每个甲片都是单独活动的，需要将甲片以一定的方式连接在织物上。本研究采用三角形固定的方式，因为三角形具有良好的稳定性。三角形的设计原则包括：使甲片稳定地连接到织物上；不影响甲片整体弯曲性能；使甲片在相同曲率半径的情况下翘起高度最低。根据以上 3 个原则来确定三角形的位置及大小。

（1）确定三角形的位置。如图 9 所示，固定三角必须放在下半部分，因为其上半部分搭接在上层甲片下半部分的上面，从而可将上层甲片下半部分的缝隙全部覆盖。

（2）甲片的弯曲性能和稳固性主要受三角形的大小及三角形与甲片边线之间距离的影响。三角形越小，三角形与甲片边线之间的距离越大，甲片弯曲性能越好，而稳定性能越差。甲片防刺材料的设计既要使甲片下半部分尽可能稳固，又要保证其上半部分尽可能灵活。因此选择三角形的位置和大小要综合以上两方面考虑。

（3）测试不同大小、不同位置的三角形（图 10）在相同曲率半径下各自的翘起高度（表 1）。

根据表 1 的数据分析，在曲率半径相同的条件下，固定三角形的面积越大，翘起高度越低，但是当曲率半径小到一定值时，三角形面积越小其翘起高度就越小；在曲率半径一定的条件下，倒置三角形的翘起高度大于正置三角形，由于小三角和大三角翘起高度相差不多，且当曲率半径较小时，小三角的翘起高度小于大三角，更重要的是可节省连接材料。综合考虑，应选择正置小三角进行固定。

5甲片的弯曲性能研究

当刀尖接触到甲片表面时，甲片将整体后移，使刀尖巨大的冲击力瞬间分散到整个甲片上。不仅如此，甲片与相邻甲片的搭接使得一部分力传递到相邻甲片上，从而大大增加受力面积，使被刺甲片的受力压强大大降低，且带动被衬的软质防刺织物变形，进一步吸收冲击能量，从而使防刺效果大大增强。

甲片被刺不同位置（图 11（a））时该甲片对周围甲片的影响（图 11（b））：

（1）刺到A部位时，受力甲片分别为 0、1、2；

（2）刺到B部位左侧边缘时，受力甲片分别为 0、1、3、4；

（3）刺到B部位右侧边缘时，受力甲片分别为 0、2、4、5；

（4）刺到B部位中部位置时，受力甲片分别为 0、1、2、4。

这样大大提高了分压的作用，使防护服具有良好的防刺性能。在理想状况下，甲片露出部位如图 12 所示，其对应的被刺中概率如表 2 所示。

其中，1、2 部位是单层甲片，易被刺穿；而 3、4 部位是两层叠加的甲片，相对不易被刺穿。但在测试中，1、2 部位被刺的几率相对较小。

通过图 13 两种弯度的对比，可以看出，新型甲片防刺服在弯曲性能方面远优于传统防刺服。

6结论

利用仿生学原理设计一种近似鱼鳞状的新型防刺甲片，通过与传统防刺服在弯曲性能等方面的对比，以及其在不同曲率半径上甲片翘起高度的数据分析来对甲片进行选择。通过对甲片各个部位被刺伤概率的分析及其对周围甲片的影响来确定甲片在满足防刺性能的同时，也尽可能地具有灵活、轻便、舒适的特点，进而打破传统防刺服笨重、行动困难的缺点。

参考文献（略）