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防刺甲片形状及搭接设计 　　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???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