聶偉曉， 溫垚珂， 董方棟， 覃彬， 羅小豪， 童梁成

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094; 2.中國(guó)兵器工業(yè)第208研究所 瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102202;3.解放軍東部戰(zhàn)區(qū)空軍醫(yī)院骨科， 江蘇 南京 210002)

0 引言

防彈頭盔的使用有助于提升戰(zhàn)場(chǎng)人員生存力，但當(dāng)投射物(破片和槍彈等)未能擊穿防彈頭盔時(shí)，劇烈沖擊會(huì)造成頭盔內(nèi)表面變形(BFD)，對(duì)頭皮下的組織造成損傷，也就是通常所說(shuō)的防彈頭盔后鈍性損傷(BHBT)。

Cacoilo等開(kāi)展了9 mm手槍彈侵徹頭部靶標(biāo)的數(shù)值模擬，通過(guò)評(píng)估撞擊產(chǎn)生的加速度和變形得到了手槍彈的塑形變形是導(dǎo)致總能量減少的原因。黃藝峰進(jìn)行了高速投射物鈍擊長(zhǎng)白豬的實(shí)驗(yàn)，得到了槍彈能量的損失與創(chuàng)傷的關(guān)系，并且否定了“能量越大，受傷越重”的觀念。羅小豪等構(gòu)建了手槍彈撞擊戴凱夫拉防彈頭盔模型，開(kāi)展了鈍擊效應(yīng)模擬并計(jì)算了子彈不同入射角可能造成顱骨骨折的概率。崔廣宇構(gòu)建了人體頭部實(shí)物模擬靶標(biāo)，獲得了槍彈侵徹帶防彈頭盔頭部靶標(biāo)過(guò)程中頭部壓力和加速度等鈍擊效應(yīng)量，并通過(guò)頭部損傷準(zhǔn)則(HIC)對(duì)頭部損傷進(jìn)行了評(píng)估。Chang等建立了具有解剖結(jié)構(gòu)的人頭替代模型，并利用5.56 mm步槍彈對(duì)防彈板保護(hù)的顱骨模型進(jìn)行了彈道實(shí)驗(yàn)，分析了防彈板和填充材料(類型和密度)對(duì)頭部防護(hù)性能的影響。該研究對(duì)顱腦損傷防護(hù)裝備的設(shè)計(jì)和損傷機(jī)制的研究具有指導(dǎo)意義。王威等、蔡志華等通過(guò)構(gòu)建頭盔- 頭部模擬靶標(biāo)仿真模型分析了鈍擊情況下顱腦損傷的機(jī)理和頭盔內(nèi)部泡沫襯墊對(duì)鈍擊效應(yīng)的影響。Seidl等構(gòu)建了頭盔有限元模型，并利用該模型對(duì)7.62×39 mm步槍彈射擊頭盔產(chǎn)生跳彈時(shí)，頭盔的變形和顱腦的損傷進(jìn)行了研究。Palomar等采用CT建立人體頭部模型，通過(guò)仿真分析了頭盔B(niǎo)FD值與顱腦后鈍性挫傷的關(guān)系。Pintar等構(gòu)建了實(shí)物靶標(biāo)，對(duì)不同沖擊方向下頭部接觸力的大小、力的傳遞與頭部的生物力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。沈周宇等進(jìn)行了9 mm手槍彈鈍擊佩戴防彈頭盔頭部的數(shù)值模擬，得到了鈍擊過(guò)程可能造成顱骨骨折，并且顱內(nèi)壓可能造成重度腦損傷的結(jié)論。

本文利用Hashin失效準(zhǔn)則編寫(xiě)防彈頭盔的材料損傷子程序，構(gòu)建直徑6 mm球破片對(duì)戴防彈頭盔人頭部靶標(biāo)的殺傷效應(yīng)數(shù)值模型，并對(duì)頭部模型進(jìn)行了校驗(yàn)，通過(guò)分析侵徹過(guò)程的顱骨和顱內(nèi)壓數(shù)值變化，對(duì)侵徹過(guò)程的顱腦損傷進(jìn)行了分析。

1 數(shù)值模型建立

1.1 有限元模型建立

頭部模型數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)可視化人體切片，該有限元模型分為大腦、小腦、腦干、腦脊液、胼胝體、頸椎、顱骨和面顱(見(jiàn)圖1)。凱夫拉防彈頭盔是由芳綸纖維和熱固性樹(shù)脂組成的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料頭盔，該有限元模型分為芳綸復(fù)合材料盔殼(單元層間插入cohesive單元模擬熱固性數(shù)脂的粘結(jié)作用)和泡沫襯墊。

圖1 頭部有限元模型Fig.1 Finite element model of the head

1.2 模型參數(shù)

本文編寫(xiě)的防彈頭盔材料本構(gòu)基于VUMAT子程序開(kāi)發(fā)，材料失效準(zhǔn)則采用Hashin失效準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則考慮了編織復(fù)合材料經(jīng)向和緯向兩個(gè)方向的纖維強(qiáng)度。關(guān)于該自定義本構(gòu)模型的詳細(xì)介紹見(jiàn)參考文獻(xiàn)[3]，復(fù)合材料參數(shù)來(lái)自文獻(xiàn)[12-13]，cohesive參數(shù)來(lái)自文獻(xiàn)[12]。

頭部模型中的大腦、小腦和腦干等腦組織，在本質(zhì)上近似認(rèn)為是一種不可壓縮(但可變形)的黏彈性液體。顱骨、面顱和頸部均用線彈性本構(gòu)模型。將腦脊液用線彈性本構(gòu)來(lái)賦予屬性，生理上腦脊液與蛛網(wǎng)膜小梁緊密結(jié)合在一起，因此給了較小的剪切模量。模型具體參數(shù)來(lái)自文獻(xiàn)[14-16]。

2 模型驗(yàn)證

2.1 頭盔模型驗(yàn)證

為了對(duì)頭盔模型的正確性進(jìn)行校驗(yàn)，文獻(xiàn)[3]利用3D-DIC測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了9 mm鉛芯手槍彈撞擊芳綸防彈頭盔的試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的頭盔鼓包高度隨時(shí)間變化歷程曲線如圖2所示，從中可以看出數(shù)值模擬和試驗(yàn)中的BFD變化歷程一致性較好。

圖2 芳綸防彈頭盔B(niǎo)FD高度的試驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比[3]Fig.2 Comparison of test and simulation results of BFD height of aramid bulletproof helmet[3]

試驗(yàn)和數(shù)值模擬中頭盔內(nèi)部鼓包形態(tài)變化歷程如圖3所示。由圖3可見(jiàn)：0.15 ms時(shí)，頭盔內(nèi)部均出現(xiàn)明顯變形，且變形區(qū)域形狀相似，都為圓形；0.6 ms時(shí)，變形區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，試驗(yàn)和數(shù)值模擬中形狀都為橢圓形；9 ms時(shí)，試驗(yàn)和數(shù)值模擬中頭盔內(nèi)部鼓包直徑達(dá)到最大值。

圖3 試驗(yàn)(上)和仿真(下)BFD形狀的比較Fig.3 Comparison of experimental(up) and simulated(down) BFD shapes

2.2 人體頭部模型驗(yàn)證

Nahum等進(jìn)行的尸體試驗(yàn)已成為頭部數(shù)值模型有效性驗(yàn)證的經(jīng)典試驗(yàn)。對(duì)于該方法仿真缺少材料參數(shù)，因此采用Ganpule等的方法對(duì)人體頭部模型的響應(yīng)進(jìn)行校驗(yàn)。該方法將壓力載荷施加在圖4所示的前額部位，通過(guò)提取仿真結(jié)果中額頭與顱骨后窩處特征點(diǎn)的壓力- 時(shí)間曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，進(jìn)而驗(yàn)證頭部有限元模型的正確性。

圖4 碰撞壓力曲線及采集點(diǎn)位置Fig.4 Impact pressure curve and location of collection points

為避免數(shù)值模擬存在誤差，在額頭與顱骨后窩分別提取3個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。圖5的曲線對(duì)比表示，數(shù)值模擬結(jié)果(～點(diǎn))與試驗(yàn)數(shù)據(jù)(前額和枕骨)較為一致，在整體趨勢(shì)及峰值壓力方面較為接近；額頭位置模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，但顱骨后窩處的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差。由曲線可以判斷碰撞過(guò)程中前額處直接受到壓力表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，而顱骨后窩的壓力曲線處在負(fù)壓狀態(tài)，整體表現(xiàn)為受拉的狀態(tài)，表明本文所使用的頭部模型和材料參數(shù)能夠較好地模擬人體頭部的響應(yīng)。數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)差異可以歸結(jié)于三方面：一是模型數(shù)據(jù)來(lái)源不同；二是腦組織材料屬性復(fù)雜，仿真參數(shù)難以界定；三是尸體試驗(yàn)中頸椎對(duì)人體頭部的約束條件在數(shù)值模擬中不能完全實(shí)現(xiàn)。

圖5 試驗(yàn)和仿真曲線對(duì)比Fig.5 Comparison of test and simulation curves

3 數(shù)值計(jì)算分析

3.1 破片從正面侵徹的鈍擊效應(yīng)

設(shè)定鋼球破片以600 m/s速度沿水平方向侵徹防彈頭盔，已有文獻(xiàn)表明在中低速侵徹情況下破片的變形量很小。圖6為破片正面侵徹過(guò)程圖。由圖6可以看到：15 μs時(shí)防彈頭盔內(nèi)部無(wú)明顯變形，防彈頭盔外表面無(wú)大面積破壞，僅有主要受到剪切破壞形成的與破片直徑相當(dāng)?shù)钠茐膮^(qū)域；30 μs時(shí)芳綸纖維層間的cohesive單元失效導(dǎo)致頭盔出現(xiàn)分層現(xiàn)象，頭盔內(nèi)部出現(xiàn)明顯變形，頭盔內(nèi)部鼓包高度為3.5 mm；60 μs時(shí)破片速度衰減到10.8 m/s，破片侵徹區(qū)域損傷嚴(yán)重，芳綸纖維分層明顯，防彈頭盔內(nèi)部鼓包高度為4.6 mm；150 μs時(shí)頭盔內(nèi)部鼓包高度和變形區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，頭盔內(nèi)部鼓包高度為8.8 mm，泡沫襯墊被壓扁，最小厚度變?yōu)?0 mm；300 μs時(shí)頭盔鼓包高度達(dá)到最大值10.2 mm，由于頭部的支撐作用使得最大鼓包高度要小于無(wú)支撐狀態(tài)，泡沫襯墊被顯著壓扁。之后頭盔內(nèi)部鼓包開(kāi)始緩慢回彈，一共21層芳綸單元，破片未能完全穿透第16層芳綸纖維單元。

圖6 破片正面侵徹過(guò)程圖Fig.6 Frontal penetration of fragment

圖7為正面侵徹過(guò)程顱骨應(yīng)力云圖。從圖7可以看出：隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，彈著點(diǎn)的應(yīng)力逐步傳播至整個(gè)顱骨；彈著點(diǎn)位置的應(yīng)力在405 μs之前都在逐漸增大，在405 μs時(shí)彈著點(diǎn)處的顱骨表面單元最大應(yīng)力為5.97 MPa，比其他兩個(gè)方向侵徹過(guò)程中大。主要是由于裝配后正面泡沫也相較于其他兩個(gè)方向薄，導(dǎo)致正面泡沫襯墊比其他方向要過(guò)早擠壓頭部模型，隨后該位置應(yīng)力逐步減小；之后最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在枕骨大孔附近，該現(xiàn)象與沈周宇等數(shù)值計(jì)算得到的額骨應(yīng)力降低、顱底與頸椎連接處的應(yīng)力達(dá)到最大一致，應(yīng)力最大值達(dá)到了12.3 MPa。該處應(yīng)力最大可以解釋為兩方面：一是顱腦受到撞擊后，腦組織相互擠壓，頸椎連接處產(chǎn)生反作用力；二是與顱底的結(jié)構(gòu)突變有關(guān)，在顱骨底部存在應(yīng)力集中區(qū)域。在圖7中可以看到在侵徹過(guò)程中大部分區(qū)域不會(huì)超過(guò)6 MPa。有文獻(xiàn)表明顳骨的骨折閾值最小，為11.2 MPa，因此侵徹過(guò)程不會(huì)造成顱骨損傷。

圖7 正面侵徹過(guò)程顱骨應(yīng)力云圖(左為正視圖，右為頂部全剖俯視圖)Fig.7 Skull stress cloud map during frontal penetration (The left is front view, the right is full cutaway top view of the top)

圖8為正面侵徹過(guò)程大腦應(yīng)力云圖。從圖8中可以看出：侵徹過(guò)程中，腦組織受到撞擊后引起腦脊液和大腦左右震蕩，腦脊液迅速將應(yīng)力波彌散，在大腦溝造成應(yīng)力集中，引起損傷居中，因此應(yīng)力云圖大部分圍繞彈著點(diǎn)沿大腦溝分布在頂葉和額葉位置，大腦應(yīng)力分布隨時(shí)間在大腦溝向左右半球延伸，同時(shí)額葉前部的應(yīng)力隨時(shí)間先增大后減??；在450 μs之前，大腦上的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在頂葉，均不超過(guò) 10 kPa；之后最大應(yīng)力突增到263 kPa，810 μs時(shí)大腦溝內(nèi)的最大應(yīng)力值為717 kPa，該位置出現(xiàn)在大腦底部。黃藝峰進(jìn)行了活豬戴防彈插板后的鈍擊試驗(yàn)，結(jié)果表明正面鈍擊會(huì)產(chǎn)生大腦溝回和顳葉溝回出血，與數(shù)值模擬中的大腦應(yīng)力分布一致。

圖8 正面侵徹過(guò)程大腦應(yīng)力云圖Fig.8 Brain stress cloud map during frontal penetration

圖9為正面侵徹過(guò)程顱內(nèi)壓力(ICP)時(shí)程曲線。從圖9中可以看到，ICP曲線呈“山”字形，在短暫時(shí)間內(nèi)有3個(gè)峰值波動(dòng)，與Liu等的試驗(yàn)和數(shù)值模擬的趨勢(shì)基本一致。腦組織受到持續(xù)作用的正壓主要是由彈著點(diǎn)底部的應(yīng)力集中區(qū)引起的。因?yàn)閼?yīng)力波會(huì)在顱內(nèi)發(fā)生反射，并且反射回來(lái)的應(yīng)力波又會(huì)與原發(fā)性的應(yīng)力波發(fā)生疊加，加強(qiáng)或削弱該點(diǎn)所受應(yīng)力波的幅值大小，會(huì)加強(qiáng)或削弱受到的損傷；300 μs之后頭盔鼓包開(kāi)始回彈，ICP開(kāi)始下降；在105～350 μs內(nèi)ICP均大于200 kPa；在45 μs時(shí)，破片侵徹頭盔的能量傳遞至頭部模型使該處的壓力開(kāi)始增加；在180 μs時(shí)，彈著點(diǎn)ICP首次到達(dá)最大值495 kPa，隨后緩慢下降，再次上升達(dá)到第2個(gè)峰值486 kPa，之后ICP開(kāi)始下降；480 μs以后彈著點(diǎn)處ICP表現(xiàn)為周期性分布的拉壓交替振蕩特征。有研究表明，造成重度腦損傷的閾值為235 kPa，因此該侵徹過(guò)程可能會(huì)造成局部腦血管損傷和腦組織挫裂傷。

圖9 正面侵徹過(guò)程ICP時(shí)程曲線Fig.9 ICP time history curve of frontal penetration

3.2 破片從側(cè)面侵徹的鈍擊效應(yīng)

圖10為破片側(cè)面侵徹過(guò)程圖。從圖10中可以看到：15 μs時(shí)防彈頭盔內(nèi)部無(wú)明顯鼓包高度；30 μs時(shí)頭盔芳綸層間的cohesive單元失效導(dǎo)致頭盔開(kāi)始出現(xiàn)分層現(xiàn)象，頭盔內(nèi)部出現(xiàn)明顯變形，頭盔內(nèi)部鼓包高度為3.5 mm；150 μs時(shí)頭盔內(nèi)部鼓包高度和變形區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，分層現(xiàn)象明顯，頭盔內(nèi)部鼓包高度為7.52 mm；300 μs時(shí)頭盔內(nèi)部鼓包高度為10.85 mm；390 μs時(shí)頭盔內(nèi)部鼓包高度達(dá)到最大值11.3 mm。側(cè)面侵徹的鼓包高度比正面侵徹的鼓包高度高7%，這一方面是由于側(cè)面盔殼的曲率要小于正面盔殼的曲率，另一方面與彈著點(diǎn)底部沒(méi)有泡沫襯墊直接支撐有關(guān)。

圖10 破片側(cè)面侵徹過(guò)程圖Fig.10 Side penetration of fragment

圖11為側(cè)面侵徹過(guò)程顱骨應(yīng)力云圖。從圖11中可以看出：彈著點(diǎn)位置應(yīng)力在180 μs時(shí)彈著點(diǎn)處的顱骨表面單元最大應(yīng)力達(dá)到0.8 MPa，遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向。這是因?yàn)閺椫c(diǎn)在兩塊襯墊之間，襯墊變形吸收了大量能量，導(dǎo)致側(cè)面頭部模型受到的沖擊小，隨后該位置處應(yīng)力逐步減小。540 μs時(shí)彈著點(diǎn)處的顱骨表面單元最大應(yīng)力達(dá)到 0.27 MPa。 之后最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在枕骨大孔結(jié)構(gòu)突變處，該位置在720 μs時(shí)應(yīng)力最大值達(dá)到了 0.51 MPa。 810 μs時(shí)該處的顱骨表面單元最大應(yīng)力達(dá)到 0.52 MPa。 在應(yīng)力傳播過(guò)程中最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于造成顱骨損傷所需的閾值，因此側(cè)面侵徹不會(huì)對(duì)顱骨造成損傷。

圖11 側(cè)面侵徹過(guò)程顱骨應(yīng)力云圖Fig.11 Skull stress cloud map during side penetration

圖12為側(cè)面侵徹過(guò)程大腦應(yīng)力云圖。從圖12中可以看出：侵徹過(guò)程中，大腦上的應(yīng)力云圖大部分圍繞彈著點(diǎn)沿大腦溝分布在頂葉和額葉位置；在360 μs時(shí)出現(xiàn)第1個(gè)峰值壓力，為61.3 kPa；之后最大應(yīng)力開(kāi)始呈現(xiàn)下降再上升的趨勢(shì)，720 μs時(shí)大腦的最大應(yīng)力值為92 kPa，出現(xiàn)在大腦底部。與正面侵徹過(guò)程大腦應(yīng)力分布相比，二者都沿大腦溝分布，但側(cè)面侵徹過(guò)程的大腦應(yīng)力要遠(yuǎn)小于正面侵徹過(guò)程的大腦應(yīng)力。該現(xiàn)象是由于彈著點(diǎn)下方?jīng)]有泡沫襯墊，直接將能量傳遞至頭部模型導(dǎo)致。

圖12 側(cè)面侵徹過(guò)程大腦應(yīng)力云圖Fig.12 Brain stress cloud map during side penetration

圖13為側(cè)面侵徹過(guò)程ICP時(shí)程曲線。從圖13中可以看到：側(cè)面侵徹的ICP與正面侵徹的ICP趨勢(shì)一致，但峰值為正面侵徹的1/4，這是因?yàn)閺椫c(diǎn)下方?jīng)]有泡沫襯墊直接傳遞能量，兩側(cè)泡沫襯墊吸收了大量能量。在165 μs時(shí)，破片侵徹頭盔的能量傳遞至頭部模型使該處的壓力開(kāi)始增加。在225 μs時(shí)，彈著點(diǎn)ICP首次到達(dá)最大值122 kPa，隨后緩慢下降，再次上升達(dá)到第2個(gè)峰值110 kPa，之后顱內(nèi)壓開(kāi)始下降；600 μs以后彈著點(diǎn)處ICP表現(xiàn)為周期性分布的拉壓交替震蕩特征。有研究表明，造成輕度腦損傷的閾值為173 kPa，因此該侵徹過(guò)程不會(huì)造成腦損傷。

圖13 側(cè)面侵徹過(guò)程ICP時(shí)程曲線Fig.13 ICP time history curve of side penetration

3.3 破片從頂部侵徹的鈍擊效應(yīng)

圖14為破片頂部侵徹過(guò)程圖。從圖14中可以看到：15 μs時(shí)防彈頭盔內(nèi)部無(wú)明顯鼓包高度；45 μs破片速度衰減到18.9 m/s，頭盔芳綸層間的cohesive單元失效導(dǎo)致頭盔出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，頭盔內(nèi)部出現(xiàn)明顯變形，頭盔內(nèi)部鼓包高度為5.1 mm；150 μs時(shí)頭盔內(nèi)部鼓包高度和變形區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，頭盔內(nèi)部鼓包高度為8.2 mm；255 μs時(shí)頭盔內(nèi)部鼓包高度為9.2 mm，泡沫襯墊被壓扁，最小厚度變?yōu)?.2 mm；540 μs時(shí)頭盔內(nèi)部鼓包高度達(dá)到最大值11.5 mm。頂部侵徹的鼓包高度比正面侵徹的鼓包高度高9%，這與盔殼的曲率和頭部的支撐有關(guān)。

圖14 破片頂部侵徹過(guò)程圖Fig.14 Top penetration fragment

圖15為頂部侵徹過(guò)程顱骨應(yīng)力云圖。由圖15可以看出：彈著點(diǎn)位置顱骨應(yīng)力逐漸增大，在540 μs時(shí)彈著點(diǎn)處的應(yīng)力達(dá)到最大值為2.9 MPa，頂部侵徹鼓包高度最大但最大應(yīng)力小于正面侵徹過(guò)程。這是因?yàn)轫敳垦b配存在空隙，隨后該位置處應(yīng)力逐步減小。之后最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在枕骨大孔附近，該位置在720 μs時(shí)應(yīng)力最大值達(dá)到了7.85 MPa。 810 μs時(shí)應(yīng)力最大值達(dá)到了10.4 MPa，這一應(yīng)力不高于造成枕骨損傷所需的閾值，因此頂部侵徹不會(huì)造成顱骨損傷。

圖15 頂部侵徹過(guò)程顱骨應(yīng)力云圖Fig.15 Skull stress cloud map during top penetration

圖16為頂部侵徹過(guò)程大腦應(yīng)力云圖。由圖16可以看出：侵徹過(guò)程中，大腦上的應(yīng)力云圖主要分布在彈著點(diǎn)下方；在540 μs之前，大腦上的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在頂葉，均不超過(guò)10 kPa；1 080 μs時(shí)大腦溝內(nèi)的最大應(yīng)力值為121 kPa，出現(xiàn)在顳葉，與之前時(shí)刻相比此時(shí)最大應(yīng)力呈塊狀分布。與正面侵徹過(guò)程大腦應(yīng)力分布相比，二者都沿大腦溝分布，但頂部侵徹過(guò)程的大腦應(yīng)力要小于正面侵徹過(guò)程的大腦應(yīng)力，該現(xiàn)象是由于顱內(nèi)腦脊液分布不均，頂部腦脊液厚于正面。

圖16 頂部侵徹過(guò)程大腦應(yīng)力云圖Fig.16 Brain stress cloud map during top penetration

圖17為頂部侵徹過(guò)程ICP時(shí)程曲線。從圖17中可以看到：ICP曲線呈“幾”字形，在180～585 μs內(nèi)ICP均大于200 kPa；與正面侵徹ICP相比頂部侵徹ICP要小，為正面侵徹ICP峰值的2/3，這是因?yàn)槟X脊液的緩沖保護(hù)作用；在90 μs時(shí)，破片侵徹頭盔的能量傳遞至頭部模型，使該處的壓力開(kāi)始增加；在480 μs時(shí)，彈著點(diǎn)ICP到達(dá)最大值327 kPa，隨后緩慢下降；750 μs以后彈著點(diǎn)處ICP表現(xiàn)為周期性分布的拉壓交替振蕩特征。有文獻(xiàn)表明，造成重度腦損傷的閾值為235 kPa，因此該侵徹過(guò)程可能會(huì)造成嚴(yán)重腦損傷。

圖17 頂部侵徹過(guò)程ICP時(shí)程曲線Fig.17 ICP time history curve of top penetration

4 結(jié)論

本文建立了高精度人體頭頸部有限元模型，研究了破片對(duì)戴防彈頭盔人體頭部的鈍擊效應(yīng)。得出主要結(jié)論如下：

1) 破片以相同速度從正面、側(cè)面和頂部侵徹頭盔時(shí)，頭盔B(niǎo)FD高度最大值分別為10.2 mm、11.3 mm和11.5 mm，表明不同射擊方向?qū)︹g擊效應(yīng)有一定影響，與防彈頭盔不同位置的表面曲率、泡沫襯墊、人體頭部結(jié)構(gòu)有關(guān)。3個(gè)方向破片侵徹過(guò)程都是在穿透第6層芳綸纖維時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象；破片都未能完全穿透第16層芳綸。

2) 破片的侵徹方向?qū)︼B骨上的應(yīng)力大小有明顯影響，顱骨應(yīng)力主要分布在彈著點(diǎn)附近，其中正面侵徹過(guò)程彈著點(diǎn)顱骨應(yīng)力最大，為5.97 MPa；側(cè)面侵徹顱骨彈著點(diǎn)應(yīng)力最小，為2.9 MPa。隨著應(yīng)力的傳播，顱底會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，這與顱底的結(jié)構(gòu)有關(guān)，但均不會(huì)超過(guò)損傷閾值。

3) 不論從哪個(gè)方向侵徹，大腦的高應(yīng)力位置主要沿大腦溝附近分布，破片不同侵徹方向中，大腦的頂葉、枕葉和額葉部分都有明顯的應(yīng)力，而且應(yīng)力呈現(xiàn)波動(dòng)式升降。這是因?yàn)轭^部受到撞擊產(chǎn)生加速度，而大腦懸浮在腦脊液中產(chǎn)生的加速度產(chǎn)生滯后。

4) 通過(guò)提取彈著點(diǎn)的顱內(nèi)壓曲線，在正面和頂部侵徹過(guò)程中ICP峰值超過(guò)了腦損傷閾值，該型頭盔需要對(duì)這兩個(gè)方向的防護(hù)進(jìn)行提升。已有學(xué)者驗(yàn)證過(guò)硬的頭盔材料可能會(huì)導(dǎo)致更為嚴(yán)重的鈍性損傷，因此目前可以對(duì)泡沫襯墊在結(jié)構(gòu)和材料上進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于泡沫襯墊的結(jié)構(gòu)可以利用拓?fù)鋬?yōu)化來(lái)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，也可以借鑒側(cè)面泡沫襯墊的布局，將一整塊泡沫替換為多個(gè)泡沫的組合體；在材料方面可以采用吸能效率更高的材料制作襯墊。