摘要： 底部爆炸沖擊極易造成裝甲車輛乘載員脊柱損傷，為全面了解底部爆炸沖擊作用下的乘員脊柱各節(jié)段損傷行為和風(fēng)險，通過基于高生物逼真度人體有限元模型的數(shù)值仿真模擬典型底部爆炸沖擊下乘員脊柱的動態(tài)響應(yīng)過程，融合運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和生物力學(xué)響應(yīng)研究脊柱各節(jié)段潛在的損傷行為，并利用生物力學(xué)指標(biāo)分析不同受載工況和防護(hù)座椅設(shè)計參數(shù)下乘員脊柱的損傷風(fēng)險。結(jié)果表明：C4～T3 段脊柱后伸過展是棘突、橫突和椎間盤纖維環(huán)的主要致傷因素，T7～T12 段脊柱損傷主要受前屈過彎和軸向壓縮共同作用，腰椎軸向壓縮導(dǎo)致椎體前側(cè)和椎間盤髓核處高損傷風(fēng)險；脊柱各節(jié)段損傷風(fēng)險隨受載加速度峰值增大而提高，抗爆座椅防護(hù)下頸椎仍存在高骨折風(fēng)險；減小座椅懸架剛度可降低乘員脊柱的損傷風(fēng)險，但在0.6～1.2 kN·s/m 范圍內(nèi)改變座椅懸架阻尼對乘員脊柱的損傷風(fēng)險無明顯影響。

關(guān)鍵詞： 底部爆炸；脊柱損傷；人體模型；生物力學(xué)

中圖分類號： O383.1 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13035 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

地雷和簡易爆炸裝置（improvised explosive device， IED）是非對稱作戰(zhàn)時的主要反裝甲武器，其在裝甲車輛底爆炸時所釋放的巨大能量對車內(nèi)人員造成嚴(yán)重威脅，底部爆炸（under-body blast，UBB）引起的沖擊過載易導(dǎo)致脊柱嚴(yán)重?fù)p傷[1-3]。因此，開展底部沖擊下的裝甲車乘員脊柱損傷和防護(hù)研究對于保障裝甲士兵生命安全和提升裝甲裝備戰(zhàn)力性能具有重要意義。

目前，采用尸體（ post-mortem human subjects， PMHS）的生物力學(xué)試驗、基于擬人化測試設(shè)備（anthropomorphic test device，ATD）及其數(shù)值模型的物理試驗和仿真以及應(yīng)用人體數(shù)值模型的仿真分析是UBB 工況下裝甲車乘員損傷和防護(hù)研究的主要途徑。PMHS 生物力學(xué)試驗主要采用滑車、落錘和杠桿試驗臺對尸體脊柱節(jié)段或整人樣本進(jìn)行沖擊加載來模擬UBB 沖擊損傷過程，通過測量尸體樣本動力學(xué)響應(yīng)信號和解剖掃描試驗后樣本進(jìn)行損傷機(jī)理和耐受度分析，現(xiàn)有的PMHS 試驗研究對下肢、盆骨和腰椎UBB 損傷行為形成了較全面認(rèn)識[4-7]，整人層面的PMHS 試驗數(shù)據(jù)為ATD 和人體數(shù)值模型的有效性驗證提供了對標(biāo)通道[8-9]。但受倫理和成本限制PMHS 試驗無法在國內(nèi)開展，且PMHS 試驗受數(shù)據(jù)采集手段約束，難以洞察人體組織層面的生物力學(xué)動態(tài)響應(yīng)。從而，國內(nèi)研究者大都采用以假人為主要代表的ATD 開展試驗和仿真分析[10-11]。目前主流的ATD 為Hybrid-III 50 百分位假人及其有限元模型，其主要被用作測試工具來評價和改進(jìn)車體設(shè)計、座椅設(shè)計和穿戴裝備設(shè)計等。ATD 假人兼具試驗和仿真研究的可行性和可對比性，為極端沖擊載荷下的人體損傷防護(hù)裝備研究提供了重要工具，但ATD 假人的機(jī)械式結(jié)構(gòu)生物逼真度有限（如：剛性骨盆和胸椎），難以用于涉及人體損傷機(jī)理和生物力學(xué)的深入分析。近年來，隨著高生物逼真度人體數(shù)值模型在汽車碰撞安全研究領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，部分研究者開始通過人體數(shù)值模型分析底部爆炸沖擊下的乘員響應(yīng)[12-14]。GHBMC（global human body models consortium）50 百分位男性人體有限元模型首次通過UBB 模擬工況下的PMHS 動力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了生物逼真度驗證[12]，該模型還被應(yīng)用于分析UBB 環(huán)境下的乘員骨盆響應(yīng)和損傷風(fēng)險[13]。此外，中國體征人體有限元模型（Chinese human body model，C-HBM）也在UBB 下肢和腰骶損傷及防護(hù)研究中得到應(yīng)用[14-15]。雖然人生物力學(xué)體模型在UBB 乘員損傷研究方面已有一定應(yīng)用，但現(xiàn)有研究少有關(guān)注人體整個脊柱的動態(tài)響應(yīng)，仍有待進(jìn)一步深入認(rèn)識不同脊柱節(jié)段的響應(yīng)特征和損傷行為。另外，當(dāng)前抗爆座椅是乘員UBB 損傷防護(hù)的主要裝備[16-17]，可通過借助高生物逼真度人體數(shù)值模型的虛擬評價為抗暴座椅設(shè)計和優(yōu)化提供科學(xué)指導(dǎo)。

因此，本研究以驗證THUMS（total human body model for safety）人體有限元模型在UBB 工況下的生物逼真度為基礎(chǔ)，首先通過基于THUMS 模型的數(shù)值仿真分析典型UBB 沖擊環(huán)境下的乘員脊柱運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和生物力學(xué)響應(yīng)特征，然后依此研究乘員脊柱各節(jié)段潛在損傷行為，最后利用人體有限元模型和生物力學(xué)指標(biāo)分析不同受載工況和座椅防護(hù)設(shè)計參數(shù)下的乘員脊柱各節(jié)段損傷風(fēng)險，以期為針對UBB 工況的裝甲車乘員脊柱損傷防護(hù)提供參考。

1 人體模型生物逼真度驗證

1.1 模型驗證加載仿真模型

采用具有高生物逼真度的整人有限元模型THUMS 模擬乘員在UBB 沖擊載荷下的響應(yīng)，該模型由豐田公司建立并開源，擁有超200 萬個單元和詳細(xì)的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，模型細(xì)節(jié)如圖1 所示。Iwamoto 等[18]和Kitagawa 等[19] 已針對汽車碰撞載荷下的PMHS 試驗數(shù)據(jù)對THUMS 模型進(jìn)行了全面的生物逼真度驗證，該模型可準(zhǔn)確模擬交通事故參與者的力學(xué)響應(yīng)和損傷行為。但目前THUMS 模型尚未在UBB 工況下進(jìn)行生物逼真度驗證，考慮UBB 載荷工況（頭盆向高速沖擊）與汽車碰撞存在明顯差異，本文中以模擬UBB 載荷下的PMHS 試驗數(shù)據(jù)[9] 為參考，驗證THUMS 模型的生物逼真度。Ott 等[9] 開展的PMHS 試驗采用垂直跌落試驗臺和波形發(fā)生器模擬UBB 工況，試驗測量了剛性座椅和地板上的加速度脈沖及PMHS 脊柱加速度信號。為還原PMHS 試驗場景，本文通過預(yù)模擬將THUMS模型的脊柱、手臂、下肢姿態(tài)調(diào)整至與試驗尸體接近，建立了與PMHS 姿態(tài)[9] 相似的THUMS 模型（圖2（a）），并分別在座椅和地板加載從試驗數(shù)據(jù)提取的加速度脈沖（圖2（b））。需要說明的是，由于整人PMHS 試驗中只采集了脊柱節(jié)段加速度信號，未采集脊柱的力和力矩響應(yīng)，從而整人模型生物逼真度只能對比脊柱加速度響應(yīng)驗證。此外，在THUMS 模型開發(fā)過程中針對多種載荷下的脊柱節(jié)段力學(xué)響應(yīng)驗證結(jié)果表明，其脊柱節(jié)段模型可較好預(yù)測PMHS 力和力矩響應(yīng)[19]，因此本研究未再重復(fù)脊柱節(jié)段驗證過程。

1.2 模型驗證結(jié)果

圖3 為驗證仿真中THUMS 模型輸出的第1（T1）、第5（T5）、第8（T8）和第12（T12）節(jié)胸椎加速度曲線與PMHS 試驗數(shù)據(jù)通道[9] 及試驗均值[9] 曲線對比，該數(shù)據(jù)通道由綜合不同PMHS 樣本響應(yīng)繪制而成。從圖3 可以看出，雖然THUMS 模型響應(yīng)存在仿真峰值偏高（相較于試驗均值）和部分?jǐn)?shù)據(jù)偏離PMHS 通道的現(xiàn)象，但脊柱各節(jié)段加速度響應(yīng)與PMHS 響應(yīng)趨勢基本一致，模型響應(yīng)幾乎位于PMHS 試驗通道內(nèi)。該結(jié)果為人體模型驗證中的常見現(xiàn)象，大量研究表明整人級別的人體有限元模型驗證中無法做到其響應(yīng)與尸體試驗完全高度一致[12， 15， 18]。同時考慮人體個體差異和PMHS 試驗樣本有限，認(rèn)為THUMS 模型在UBB 沖擊載荷下表現(xiàn)出了較高生物逼真度，可用于后續(xù)研究模擬UBB 工況下的乘員響應(yīng)過程。

2 乘員脊柱損傷行為分析

采用THUMS 人體模型和自行設(shè)計的某特種車輛座椅有限元模型，建立了典型UBB 工況下的乘員受載仿真模型，如圖4 所示。仿真模型中，參考典型UBB 沖擊加速度特征[20]，建立峰值為200g 和脈沖寬度為5 ms 的三角波加速度脈沖加載環(huán)境，加速度脈沖作用于座椅安裝地板，座椅緩沖吸能懸架參數(shù)設(shè)為剛度80 kN/m 和阻尼1.2 kN·s/m，仿真計算時間設(shè)為80 ms，定義人體和地板及座椅之間的接觸。需要說明的是，由于PMHS 試驗[9] 的主要目的是為機(jī)械假人開發(fā)提供驗證參考，通常設(shè)置為腰背曲度相對較小的僵直姿態(tài)；而特種車輛乘員在服役過程中需要進(jìn)行機(jī)械性操作，且在車輛不平穩(wěn)行駛環(huán)境下難以保持腰背挺直，其坐姿與THUMS 模型的原始姿態(tài)（腰背自然屈曲）更接近，因而本文中采用了THUMS 模型的原始姿態(tài)模擬UBB 工況下的特種車輛乘員損受載過程。以下基于該模型的仿真結(jié)果，從脊柱運(yùn)動姿態(tài)（運(yùn)動學(xué)）、截面載荷（動力學(xué)）和應(yīng)力分布（生物力學(xué)）3 個方面展示乘員脊柱響應(yīng)特征，并結(jié)合三者響應(yīng)特征分析UBB 沖擊下的乘員脊柱損傷行為。

2.1 脊柱運(yùn)動姿態(tài)

圖5 為乘員整體和骨骼在200g 的UBB 沖擊載荷作用下的運(yùn)動響應(yīng)過程，從圖中可以看出：乘員下肢向上抬升運(yùn)動，使得膝關(guān)節(jié)前伸；軀干在慣性力作用下向下和向前運(yùn)動，胸腰段脊柱產(chǎn)生明顯前屈；頭部向后翻轉(zhuǎn)旋動，頸椎明顯后伸。圖6 為脊柱在矢狀面的位姿形態(tài)隨時間變化過程（原點(diǎn)為第一節(jié)尾椎S1，X 軸的正方向表示向后，Z 軸的正方向表示向上），以T1 為參考的C1 運(yùn)動軌跡主要表現(xiàn)為向下位移，由頸部脊椎后伸彎曲所致；以L1 為參考的T1 運(yùn)動軌跡主要為向下和向前位移，由胸椎前屈彎曲和軸向壓縮所致；以骶骨S1 為參考的L1 運(yùn)動軌跡先向前再向后，由骨盆轉(zhuǎn)動所致。

2.2 脊柱截面載荷

圖7 為UBB 載荷下通過乘員脊柱部分節(jié)段截面力和彎矩時間歷程曲線，圖8 為各脊柱節(jié)段截面力和彎矩峰值相對于L5 的比值。從圖7～8 可知，UBB 載荷沿脊柱自下而上傳遞，脊柱截面力峰值時刻從L5 到C1 依次順延，峰值總體上呈自下而上衰減的趨勢，但是胸椎T9～L5 段截面力維持較高平臺，頸椎C2～C3 段的截面力峰值明顯高于周邊節(jié)段；脊柱截面彎矩峰值時刻與節(jié)段位置無明顯相關(guān)性，T4 彎矩峰值時刻與L5 接近，C4 和C7 彎矩達(dá)到峰值后呈現(xiàn)平臺，L1～L4 段彎矩峰值較低，T7～T11 段彎矩峰值較高，C6～T2 段彎矩峰值高于上下游節(jié)段。

2.3 脊柱應(yīng)力應(yīng)變分布

圖9～10 分別為頸椎和胸腰椎椎體應(yīng)力與椎間盤應(yīng)變分布云圖，其中椎間盤應(yīng)變云圖中展示的為矢狀面剖視圖，以方便看清椎間盤髓核部分應(yīng)變情況。此外，由于C1 和C2 間無椎間盤，頸椎椎間盤應(yīng)變云圖中未顯示C1 節(jié)段。仿真結(jié)果顯示：頸椎椎體應(yīng)力主要集中在C4～C7 棘突，椎間盤應(yīng)變則主要集中在C3～C4 椎間盤纖維環(huán)前側(cè)；胸腰椎椎體最大應(yīng)力分布在L4～L5 和T7～T12 前側(cè)以及T1～T3 橫突，椎間盤應(yīng)變則主要集中在腰椎椎間盤髓核和T1～T4 椎間盤纖維環(huán)前側(cè)；時間軸上，從腰椎至頸椎自下而上依次出椎體最大應(yīng)力和椎間盤最大應(yīng)變。從量級上來看，頸部椎體最大應(yīng)力和椎間盤最大應(yīng)變均高于胸腰椎。

將仿真中乘員模型脊柱應(yīng)力應(yīng)變分布（圖9～10）與運(yùn)動姿態(tài)（圖5～6）和截面載荷（圖7～8）結(jié)合分析可以看出：脊柱生理彎曲是決定不同節(jié)段在UBB 載荷下運(yùn)動和承載差異的主要原因，C4～T3 和T6～T12 段分別受頸部后伸和胸部前屈運(yùn)動而彎矩承載明顯，T9～L5 段由于軀干向下壓縮而處于軸向承載狀態(tài)；頸椎后伸所產(chǎn)生的彎曲形變是造成C5～T2 段彎矩增大和C4～T3 段棘突/橫突應(yīng)力集中的主要原因，即頸部過伸是UBB 載荷下乘員頸-胸過渡位置脊柱損傷的主要致傷機(jī)制；胸椎軸向壓縮和前屈產(chǎn)生的彎曲形變使得T7～T11 段同時擁有高截面力和彎矩，導(dǎo)致該段椎體前側(cè)應(yīng)力集中，胸椎前屈過彎伴隨軸向壓縮是該節(jié)段主要致傷行為；對于腰椎而言，L4～L5 段出現(xiàn)明顯彎曲導(dǎo)致椎體前側(cè)應(yīng)力集中，L1～L3 節(jié)段主要表現(xiàn)為軸向壓縮（圖8 高截面力）引起其椎間盤中心位置應(yīng)變明顯，腰椎同時承載的軸向壓縮和前屈彎矩是其椎體和椎間盤的主要致傷因素。以上結(jié)合運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和生物力學(xué)響應(yīng)分析的脊柱損傷行為邏輯一致，共同反映了不同節(jié)段脊柱損傷機(jī)制差異。同時，Comstock 等[2] 和Schoenfeld 等[3]的戰(zhàn)場損傷流行病學(xué)研究指出C4～C7、T8～T12 及L1～L5 節(jié)段損傷高發(fā)，Somasundaram 等[20] 通過PMHS 實驗發(fā)現(xiàn)胸椎過度屈曲且T8～T12 段損傷機(jī)制為壓縮和彎曲載荷的共同作用，本文仿真結(jié)果映射的損傷行為與上述研究結(jié)論相似，因此結(jié)果具備可信度。

3 乘員脊柱損傷風(fēng)險分析

為分析不同受載環(huán)境下的乘員脊柱損傷風(fēng)險，此處基于圖4 所示模型，分別考慮不同的UBB 加速度峰值（100g～300g）和不同座椅懸架剛度（50～80 kN/m）及不同阻尼（0.6～1.2 kN·s/m）的緩沖吸能方式，建立如表1 所示的仿真矩陣。表1 中UBB峰值200g、座椅懸架剛度80 N/mm 和座椅懸架阻尼系數(shù)1.2 kN·s/m 為基礎(chǔ)模型（編號0），參數(shù)變化時每次僅變化其中一個參數(shù)設(shè)置仿真組，其他參數(shù)固定為基礎(chǔ)模型參數(shù)，如UBB 峰值變化時座椅懸架參數(shù)保持剛度80k N/m 和阻尼1.2 kN·s/m 不變。需要說明的是，由于本研究所設(shè)計的座椅需要同時滿足抗爆（安全性）和減振（舒適性）功能，阻尼取值相對較低。損傷風(fēng)險分析中，采用脊柱不同節(jié)段的椎體峰值應(yīng)力作為表征參量，量化分析上述3 個參數(shù)變化對脊柱損傷風(fēng)險的影響。

不同受載工況下，乘員脊柱各節(jié)段應(yīng)力峰值的對比如圖11 所示，從圖中可以看出：所有仿真中頸椎應(yīng)力峰值基本都高于胸腰椎，腰椎應(yīng)力峰值為三者中最低；脊柱各節(jié)段應(yīng)力峰值隨UBB 峰值增大而增大，UBB 峰值對腰椎應(yīng)力峰值影響的線性程度最高；根據(jù)Zimmermann 等[21] 提出的青年人群皮質(zhì)骨壓縮和彎曲極限應(yīng)力均值（161 MPa）推斷發(fā)現(xiàn)，在抗爆座椅防護(hù)下乘員頸椎存在高骨折風(fēng)險，胸腰椎損傷風(fēng)險較低，這一規(guī)律與Somasundaram 等[20] 通過PMHS 實驗得到的結(jié)論相似，即盆骨以下緩沖吸能可有效降低胸腰椎損傷風(fēng)險，但對頸椎的防護(hù)能力較低。改變UBB 脈沖峰值和座椅懸架設(shè)計參數(shù)的仿真結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)：UBB 加速度峰值對脊柱應(yīng)力峰值影響最顯著，UBB 加速度峰值每增大50g 可平均增大脊柱最大應(yīng)力約17 MPa；脊柱最大應(yīng)力隨座椅懸架剛度的增大呈增大趨勢，座椅剛度從50 kN/m 增大到60 kN/m 時的影響最顯著；而由于懸架阻尼較低，在本研究所設(shè)區(qū)間內(nèi)改變座椅懸架阻尼參數(shù)對乘員脊柱最大應(yīng)力幾乎無影響。上述規(guī)律表明，通過車體吸能設(shè)計盡量減小傳入座椅的UBB 加速度是乘員防護(hù)的關(guān)鍵，基于當(dāng)前座椅懸架吸能的抗爆措施或難以實現(xiàn)對頸椎的損傷防護(hù)，后續(xù)抗暴座椅優(yōu)化設(shè)計應(yīng)重點(diǎn)考慮頸椎防護(hù)。

4 結(jié) 論

通過對比文獻(xiàn)中的PMHS 試驗數(shù)據(jù)驗證了THUMS 人體有限元模型的生物逼真度，采用該模型研究了UBB 沖擊載荷下的乘員脊柱損傷行為和損傷風(fēng)險，得到的主要結(jié)論如下。

（1） THUMS 模型能較好地模擬UBB 沖擊載荷下的PMHS 各脊柱節(jié)段加速度響應(yīng)，可借助其高生物逼真度開展UBB 沖擊環(huán)境下的乘員脊柱損傷研究。

（2） UBB 沖擊載荷下乘員脊柱不同節(jié)段的運(yùn)動響應(yīng)存在明顯差異，頸椎和胸椎上段主要表現(xiàn)為后伸，胸椎中-下段響應(yīng)為前屈伴隨軸向壓縮，腰椎主要為軸向壓縮。

（3） C4～T3 段脊柱后伸過展導(dǎo)致棘突、橫突和椎間盤纖維環(huán)損傷，T7～T12 段脊柱前屈過彎和軸向壓縮引起椎體前側(cè)損傷；腰椎段軸向壓縮導(dǎo)致椎體前側(cè)和椎間盤髓核處高損傷風(fēng)險。

（4） 頸椎損傷脊柱各節(jié)段損傷風(fēng)險隨受載加速度峰值增大而提高，抗暴座椅防護(hù)下胸腰椎損傷風(fēng)險較低，但頸椎存在高骨折風(fēng)險；減小座椅懸架剛度可降低乘員脊柱損傷風(fēng)險，但在0.6～1.2 kN·s/m 范圍內(nèi)改變阻尼參數(shù)對乘員脊柱損傷風(fēng)險無明顯影響。

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（責(zé)任編輯 張凌云）

基金項目： 基礎(chǔ)加強(qiáng)計劃技術(shù)領(lǐng)域基金（2021-JCJQ-JJ-1309）；湖南省自然科學(xué)基金（2023JJ30246）