蔡志華, 包正, 王威, 毛征宇

(1.湖南科技大學 機電工程學院， 湖南 湘潭 411201；2.湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室， 湖南 長沙 410082)

槍彈沖擊防彈頭盔致頭部非貫穿性損傷的數值模擬研究

蔡志華1,2, 包正1, 王威1, 毛征宇1

(1.湖南科技大學 機電工程學院， 湖南 湘潭 411201；2.湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室， 湖南 長沙 410082)

新型防彈頭盔雖能對頭部提供良好的保護，但也常引起顱骨骨折與腦損傷。防彈頭盔在高速彈體沖擊下引起的頭部非貫穿性損傷的機理難以理解，目前還缺少相應的參數與測試方法對該類損傷進行有效評估。利用已建立及通過驗證的人體頭部生物力學模型與防彈頭盔有限元模型, 并通過加載手槍彈以386 m/s的速度沖擊防彈頭盔的仿真研究，獲得頭盔非貫穿下人體頭部的生物力學響應。仿真結果表明，頭盔通過背面變形接觸頭部易引起顱骨骨折與高顱內壓力。對比分析了有無襯墊泡沫及6 mm和12 mm泡沫內飾襯墊厚度對頭部損傷的影響：有泡沫作用下的顱內壓力峰值降低20.6%，頭盔的背面變形量減少約10%；6 mm厚襯墊泡沫作用下顱骨出現(xiàn)骨折，12 mm厚襯墊泡沫作用下顱內壓力峰值減少50%，頭盔的背面變形減少10%.

兵器科學與技術； 防彈頭盔； 頭盔非貫穿性損傷； 顱骨骨折； 防護

0 引言

頭盔非貫穿性損傷(BHBT)是高速高能子彈、爆炸碎片等沖擊防彈頭盔，在未穿透的情況下使頭盔產生變形，頭盔背面接觸頭部產生力或沖擊波傳遞到頭部使顱腦產生損傷的現(xiàn)象[1-2]。Rafaels等研究發(fā)現(xiàn)在2001～2012年度，美軍從戰(zhàn)爭、反恐、維和過程中超過6 000例槍彈、破片傷亡案例的分析發(fā)現(xiàn)，傷者超過70%受傷時佩戴防彈裝備，其中頭部損傷占50%以上[3]。因此，理解防彈BHBT的致傷機理及加強對頭部的防護是目前亟需解決的問題。

對于單兵裝備非貫穿性損傷的研究，由于無法利用活人來進行實驗，只能通過尸體頭顱實驗、動物實驗、假人實驗及數字仿真方法進行研究。尸體頭顱是與活體最為相似的替代物，能夠有效地研究組織的生物力學響應與致傷機理，但是新鮮完整的尸體標本來源有限，樣本獲取非常困難、成本高、可重復性差。動物實驗模型可以一定程度地模擬生物組織在沖擊下的響應，但動物與人體在解剖結構與組織響應上存在一定的差異。同時，人類尸體實驗與動物實驗一定程度地受倫理的限制。數字仿真方法可以一定程度地替代生物力學測試，研究顱骨、顱腦各個部位的損傷情況，但所采用的模型需通過相關實驗驗證。

Rafaels等[3]開展了槍彈沖擊防彈頭盔作用下頭部的損傷尸體實驗，研究了防彈頭盔防護致顱骨骨折的損傷機理。Freitas等[4]利用外層顱骨加內層軟組織替代腦組織對槍彈沖擊防彈頭盔的防護效果進行了研究。Sarron等[5]利用9 mm槍彈沖擊防彈板對頭部的損傷進行評估，結果顯示防彈板距離頭部越近，頭部損傷越大,研究成果能指導頭盔懸架系統(tǒng)設計與理解頭部的損傷機理。Liu等[6]利用長白豬與物理模型對手槍彈沖擊防彈頭盔致顱腦損傷的特點進行研究。

Jazi等[7]建立了人體頭部生物力學仿真模型，研究槍彈沖擊防彈頭盔作用下頭部的生物力學響應，對不同沖擊角度、不同沖擊位置對頭部的響應進行了參數分析。Pintar等[8]利用實驗與仿真相結合的方法，研究了槍彈沖擊防彈頭盔作用下的顱骨與腦組織的響應，對頭盔防護的致傷機理、頭部接觸力的大小、力的傳遞與頭部的生物力學響應有了進一步的理解。Aar等[9]利用頭部有限元模型對頭盔剛度、不同的沖擊角度等參數作用下頭部的生物力學響應進行了仿真研究。Tham等[10]利用輕氣炮進行了槍彈與碎片在不同速度下沖擊防彈頭盔(Kevlar)的實驗與仿真研究，頭盔產生的變形與損傷等實驗與仿真結果吻合較好。Lee等[11]、Grujicic 等[12]研究了美軍ACH防彈頭盔在爆炸波作用下的頭部損傷，結果表明新型防彈頭盔在爆炸波作用下對頭部的保護更好。Salimi 等[9]采用仿真分析研究了頭盔襯墊材料對腦損傷的影響，不同的襯墊材料對頭部的加速度、顱內壓力、剪應力等有不同影響。

上述研究的主要目的是為了獲得BHBT的致傷機理與對防彈頭盔的防護性能進行有效的評價與優(yōu)化。目前主要采用 V50方法評價頭盔的防護性能，該方法為穿透概率50%時模擬破片、特定彈頭的平均著靶速度，或利用頭部仿真假人模型在特定速度下測量假人頭部膠泥凹陷深度。上述方法主要是測試與評價頭盔阻擋槍彈或殺傷破片侵徹的能力。而在準確評估非貫穿性損傷嚴重程度及其防護效果還存在較大不足。本文利用建立的人體頭部模型與已驗證的防彈頭盔有限元模型進行仿真分析，獲取頭盔與頭部在高速沖擊下的響應，分析BHBT的致傷機理及形式、BHBT與防彈裝備結構和性能的關系。仿真結果能較好地反映槍彈沖擊防彈頭盔作用下的頭部生物力學響應。

1 材料與方法

1.1 ACH防彈頭盔建模

首先對美軍ACH防彈頭盔(見圖1(a))采用加拿大Creaform公司Handyscan700型三維便攜式掃描儀器進行掃描，獲取頭盔的點云數據，保存成STL格式文件(見圖1(b))。然后用Geomagic軟件進行點云處理，完成曲面擬合。利用有限元前處理軟件hypermesh 11.0生成幾何實體然后對其進行網格劃分，從而建立頭盔有限元模型。模型使用8節(jié)點6面體單元建模，單元尺寸2 mm，頭盔厚度約8 mm，共372 393個節(jié)點，329 216個單元(見圖1(c))，7塊泡沫模型尺寸根據掃描數據得到圓柱形泡沫直徑與高度尺寸為150 mm×30 mm，矩形塊泡沫長、寬、高尺寸為90 mm×55 mm×30 mm和90 mm×85 mm×30 mm，單元尺寸為3 mm(見圖1(d))。手槍彈幾何尺寸為直徑9 mm，質量為8 g. 手槍彈有限元模型使用8節(jié)點6面體單元，其單元尺寸為2 mm，整個模型共含21 663個節(jié)點和19 965個單元(見圖1(e))。對上述模型進行前處理與加載邊界條件后在LS-DYNA材料庫中進行計算。

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

1.2 槍彈與頭盔材料本構與參數

手槍彈的材料為彈塑性材料，密度為8 110 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，屈服應力為0.792 GPa，切線模量為21 GPa. 頭盔的材料模型選用Kevlar材料，在LS-DYNA材料庫中選用MAT_22 (MAT_COMPOSITE_DAMAGE)材料本構，材料參數[13-15]見表1. 表1中，ρ為密度，E11、E22、E33為各向彈性模量，ν12、ν13、ν32為各向泊松比，G12、G23、G13為各向剪切模量，S11、S22為壓縮模量，Sc為剪切強度，Sn為壓縮強度。采用Chang-Chang失效準則實現(xiàn)材料的纖維斷裂、基體開裂和壓縮破壞等[16-18]。

ACH防彈頭盔襯墊是一種聚氨酯泡沫材料，材料本構與參數參考文獻[18]。襯墊材料是一種硬泡沫，具有加載率敏感性的應力- 應變行為。

根據硬泡沫材料的屬性在LS-DYNA材料庫中選用MAT_57(MAT_LOW_DENSITY_FOAM)材料本構，其材料密度為6.1×10-8kg/mm3，楊氏模量為8.4 MPa，應力- 應變曲線如圖2所示。

圖2 硬泡沫應力- 應變曲線Fig.2 Hard foam stress-strain curve

表1 防彈頭盔材料參數Tab.1 Material parameters of ballistic helmet

1.3 頭部有限元模型建立

通過對一個35歲中等身材人體特征的成年男性志愿者(身高170 cm，質量65 kg)進行頭部CT/MRI掃描，掃描層厚為0.6 mm，斷層圖片為560張，通過斷層圖片DICOM數據精確獲取人體各組織的幾何信息。利用醫(yī)學建模軟件Mimics 17.0導入圖片獲得點云數據，利用Geomagic軟件對CT點云圖像再進行處理，生成表面光滑的幾何曲面模型，所建立的模型以IGES 格式存儲。利用有限元前處理軟件ANSYS-ICEM-CFD、HyperMesh等對上述生成的幾何模型通過建立塊與投影的原理進行網格劃分，得到的顱腦有限元模型均采用6面體實體單元與4邊形殼單元建模。顱腦模型主要由頭皮、硬骨組織、腦組織與軟組織4個部分組成：硬骨組織包括顱骨、面骨和下頜骨；軟組織包括硬腦膜、腦脊液、軟腦膜、大腦鐮、小腦幕、胼胝體；腦組織包括大腦、小腦、腦干。最終構建的有限元模型具有詳細的解剖學結構(見圖3)，包括95 997個節(jié)點，120 818個單元，頭部模型總質量為4.2 kg. 其中皮膚與顱骨之間的接觸為面- 面接觸，顱骨與腦組織采用滑動不分離tied自動面- 面接觸，腦脊液材料特性及參數與水相近，采用近似流體的歐拉ALE算法模擬顱骨- 腦脊液- 腦之間的流體與固體耦合關系，其他組織在沖擊作用下的變形采用自接觸算法，整體模型采用共節(jié)點連接方式。

圖3 頭部有限元模型Fig.3 Finite element model of human head

1.4 頭部本構模型與材料參數

研究表明，硬骨組織具有彈塑性材料特性，材料曲線在屈服點之前表現(xiàn)出彈性，屈服點之后硬骨組織即發(fā)生塑性變形，材料曲線達到極限應力時發(fā)生骨折，對應的應變?yōu)槭?。因此，顱骨采用可模擬失效的彈塑性材料，在LS-DYNA材料庫中選用MAT_3(MAT_PLASTIC_K- INEMATIC)材料本構。硬骨組織的材料參數參考已有文獻[19](見表2)。在LS-DYNA軟件計算過程中利用網格刪除的現(xiàn)象模擬顱骨的骨折。參考上述材料參數當皮質骨的極限應力達到90 MPa，對應的應變達到2%；松質骨極限應力達到35 MPa，應變達到3%時即發(fā)生斷裂，公式為

(1)

式中：σmax為極限應力；a為屈服應力；b為材料硬化模量；ε為極限應變；n、p為應變率參數。

腦組織是一種質地較軟的生物軟組織，其含水量較高(接近80%)，腦組織表現(xiàn)為不可壓縮、非線性、各向異性及黏彈性。本文參考已有文獻[20]中的腦組織定義材料屬性為黏彈性，在LS-DNYA材料庫中選用MAT_6(*MAT_VISCOELASTIC)材料本構。大量的腦組織實驗證明，腦組織的變形只取決于其剪切模量，其剪切彈性模量的計算公式為

G(t)=G∞+(G0-G∞)e-βt,

(2)

式中：G0為短效剪切模量；G∞為長效剪切模量；β為衰減系數。其他材料采用LS-DYNA材料庫中常用的彈性材料(*MAT_ELASTIC)，材料參數[20]如表3所示。

對于腦損傷的評價除了采用汽車安全中頭部損傷指數值、加速度值進行評價外，研究者發(fā)現(xiàn)低速沖擊載荷下當顱內壓臨界值大于277 kPa，高速沖擊載

表2 硬骨組織材料Tab.2 Materials of bone tissues

表3 頭部軟組織材料參數Tab.3 Material parameters of soft tissues of huamn head

荷下顱內壓臨界值大于560 kPa，易造成腦挫傷與腦振蕩[5,21]。

1.5 防彈頭盔正面/側面仿真驗證

防彈頭盔模型有效性驗證參考Tan等[15]、Tham等[22]正面/側面碰撞頭盔原型彈道測試實驗數據。實驗采用輕氣炮進行實驗，彈頭為質量11.9 g，直徑14.2 mm的鋼球彈頭。防彈頭盔被固定在一個鋼性平臺上。彈道測試以水平發(fā)射速度為205 m/s和220 m/s的鋼球彈頭對頭盔進行正面和側面沖擊碰撞。通過測速儀測量鋼球的速度，同時采用高速攝像儀捕捉槍彈沖擊頭盔的變形過程與槍彈的回彈，對比實驗與仿真中的頭盔背面變形量、損傷面積等參數，驗證了頭盔的有效性，驗證結果參考文獻[23]，如圖4所示。

圖4 防彈頭盔正面與側面仿真驗證Fig.4 Simulation of front and side of ballistic helmets

1.6 槍彈沖擊防彈頭盔防護能力仿真

因泡沫材料較軟，戴上防彈頭盔以后，頭部對初始的軟泡沫會產生一定的壓縮變形。為了模擬防彈頭盔在真實環(huán)境下的響應，使頭盔內飾襯墊泡沫在與頭部的接觸中更加貼合實際情況，仿真研究中利用Hypermesh軟件對已建立的泡沫有限元模型進行預壓處理，使襯墊泡沫被壓后的厚度為6～12 mm之間，然后對防彈頭盔、人體頭部、泡沫進行裝配。同時為了減小仿真計算時間，本文對頭盔有限元模型網格進行十字形加密處理，頭盔模型被沖擊區(qū)域網格單元尺寸為1 mm. 實驗中賦予彈頭386 m/s的速度沿水平方向沖擊頭盔正面，同時對防彈頭盔下左右兩側與后面3個位置上的節(jié)點的6個自由度約束。定義頭盔與泡沫、泡沫與頭皮的接觸為面- 面接觸。輸出頭盔的背面變形點A，輸出顱腦內的壓力單元B，如圖5所示。

圖5 槍彈沖擊防彈頭盔仿真Fig.5 Simulation of bullet impacting on helmet

2 仿真結果

2.1 高速沖擊下頭部模型仿真驗證

本文所采用的頭部生物力學模型為蔡志華等[24]前期建立并通過驗證的人體模型中的一部分，通過了有效性驗證。現(xiàn)模型在原頭部模型的基礎上進行了優(yōu)化，包括顱骨、面骨、腦組織解剖結構的完善并使生物力學響應更接近實際情況，低速沖擊載荷下的頭部生物力響應與顱骨骨折損傷有效性已通過驗證，結果參考文獻[19]。

圖6 頭部動力學響應Fig.6 Dynamic response of human head

2.2 預壓后12 mm間距下防彈頭盔有無泡沫的頭部動力學響應

為了研究ACH防彈頭盔內飾襯墊泡沫在槍彈沖擊下對頭部的損傷與防護性能，參考上述仿真設定，進行了無泡沫和有泡沫兩組實驗。因沖擊速度為386 m/s，頭皮的厚度約為6 mm，綜合考慮頭盔的設計與頭部產生的生物力學響應，仿真將頭盔與頭部模型之間的間距控制在12 mm，使頭盔的背面變形剛好能接觸到顱骨的外表面。對比分析槍彈386 m/s速度沖擊防彈頭盔的頭部響應。圖6(a)和圖6(b)為兩組仿真實驗中顱骨應力云圖，從中可看出：無泡沫條件下額骨的最大Von Mises應力值為40.24 MPa，松質骨出現(xiàn)單元失效，有骨折現(xiàn)象；有泡沫條件下的額骨最大Von Mises應力值為19.72 MPa，無骨折。圖6(c)為無泡沫與有泡沫兩組設置輸出的顱腦沖擊區(qū)域點B單元上顱內壓力曲線，顱內壓力最大值分別為3.15 MPa、2.50 MPa，遠遠超過了227 kPA的極限值，造成一定概率的腦損傷。圖6(d)為二者頭盔背面變形量，無泡沫防彈頭盔背面輸出點A的最大變形量為16.4 mm、有泡沫防彈頭盔背面最大變形量為15.3 mm.

2.3 不同泡沫厚度對頭部損傷的影響

為了分析不同泡沫厚度對頭部的防護效果，首先對泡沫進行預壓處理，泡沫材料、槍彈速度、頭盔約束等其他仿真條件不變，分析了6 mm與12 mm泡沫間距下槍彈386 m/s速度沖擊防彈頭盔的頭部生物力學響應。如圖7(a)所示，6 mm泡沫下顱骨沖擊處最大Von Mises應力達到81.09 MPa，松質骨大量失效，出現(xiàn)了骨折；如圖7(b)所示，12 mm泡沫顱骨未出現(xiàn)骨折。圖7(c)為6 mm、12 mm間距下槍彈386 m/s速度沖擊防彈頭盔的顱內壓力- 時間曲線，6 mm、12 mm泡沫厚度顱腦沖擊側最大顱內壓力值分別為5.0 MPa、2.5 MPa；圖7(d)為6 mm、12 mm泡沫厚度下頭盔背面變形曲線，從中可看出峰值變形量分別為16.0 mm、15.3 mm. 泡沫越厚，背面變形最小，顱內壓力越小，腦損傷風險較低。但同樣超過了227 kPa的極限值，造成一定概率的腦損傷。

圖7 不同泡沫厚度的頭部響應Fig.7 Head responses

3 結論

1)防彈頭盔BTBH與防護性能的研究主要對象為頭盔與內飾襯墊緩沖層的結構與材料，其中核心問題是能否提出減少基于真實人體頭部損傷的防護結構與防護方法，而不是基于目前所用的假人頭部、油泥或明膠等所測得的參數與方法。目前，V50方法能對頭盔的防穿透性能進行較為準確地評價，但是，國際上還沒有提出科學有效的頭部非貫穿性損傷指數與標準對非貫穿性損傷進行有效評價。因此研究的重心與首要任務是先提出能有效評價非貫穿性損傷指數與標準，然后通過大量的實驗、參數研究與優(yōu)化方法來進一步指導頭盔的設計。

2)本文通過建立人體頭部生物力學模型，仿真模擬了頭部在沖擊下的生物力學響應，再現(xiàn)了槍彈沖擊下的頭部動力學響應與顱骨骨折及腦損傷。其中顱骨骨折通過應力、應變進行評價，腦損傷通過顱內壓力進行評價。上述研究結果表明所建立的頭部生物力學模型對不同載荷條件與不同參數下的頭部動力學響應具有較好的敏感性，可為非貫穿性損傷的評價與后續(xù)頭盔的優(yōu)化設計提供參考。

3)研究表明，有效的人體頭部模型能模擬與再現(xiàn)高速沖擊下的頭部動態(tài)響應，仿真研究發(fā)現(xiàn)BHBT主要產生顱骨骨折與高顱內壓力現(xiàn)象。同時對比了相同頭部與頭盔間距下有無泡沫襯墊的顱骨應力應變、顱內壓力、頭盔背面變形量，有泡沫作用下的顱內壓力峰值減少20.6%，頭盔的背面變形量減少10%左右，因此運用頭盔泡沫內飾襯墊物能吸收一定能量，抑制頭盔背面變形與減少顱骨應力應變與顱內壓力，從而減輕對頭部造成的損傷。美軍新型ACH防彈頭盔采用無懸架的泡沫內飾襯墊，因此在一定程度上說明其防護性能優(yōu)于早期美軍單兵防彈頭盔(PASGT)所采用的無泡沫懸架設計。

4)同時對比了相同載荷下6 mm、12 mm泡沫厚度的頭部響應，6 mm泡沫作用下顱骨出現(xiàn)骨折，而12 mm泡沫作用下沒有出現(xiàn)顱骨骨折現(xiàn)象。與6 mm泡沫作用相比，12 mm泡沫作用下顱內壓力峰值減少50%，頭盔的背面變形減少10%。因此，泡沫越厚，頭部的損傷更少。因為目前國產防彈頭盔其頭部與頭盔的間距約12～14 mm，而美軍新型ACH防彈頭盔泡沫的厚度約為30 mm，考慮到頭盔配戴以后泡沫的初始變形，ACH防彈頭盔依然間距較大，其防護性能較好，并且穩(wěn)定性與舒服性較好。因此，為了提升國產單兵防彈頭盔的防護性能，建議參考美軍新型ACH防彈頭盔的設計進行優(yōu)化。

5)由于頭盔保護下的頭部非貫穿性損傷的評價非常困難，研究難度較大。其主要難點之一是采用何種參數對該類損傷進行評價，同時參數極限值大小的確定需要大量的實驗研究反復驗證。難點之二是如何開發(fā)有效的物理模型對這類損傷參數進行再現(xiàn)測試與評價，特別是腦組織替代物的選擇及本文采用顱骨應力和應變、顱內壓力的測試。由于目前在高速沖擊載荷下的頭部損傷的實驗還未深入開展，要準確獲得單兵非貫穿性損傷的損傷耐受極限，改進現(xiàn)有的評價標準還需后續(xù)大量工作。

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Simulation of Non-penetrating Damage of Head due toBullet Impact to Helmet

CAI Zhi-hua1,2, BAO Zheng1, WANG Wei1, MAO Zheng-yu1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201, Hunan, China; 2.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body,Hunan University, Changsha 410082, Hunan, China)

New ballistic helmet can provide good protection for human head. The head injury caused by ballistic impact has not been well understood. There is a lack of relevant test procedure to evaluate the efficiency of a ballistic helmet. The head model is validated against several impact tests on cadavers, and the helmet model is validated against data from shooting tests. The mechanical response of the helmet to the human head under non-penetration of helmet is obtained through the simulation of the ballistic helmet with 386 m/s impact speed of bullet. The simulated results show that the deformation of the back of helmet can lead to skull fracture and high intracranial pressure. The influences of helmets with and without foam pad, as well as foam pad thickness on the head injury are compared and analyzed. The results show that, by using the helmet with foam pad, the intracranial pressure of head wearing a helmet with foam poad is reduced by 20.6%, and the deformation of helmet with foam poad is reduced by 10%. The skull was still under high-risk of skull fracture with 6 mm foam pad. With 12 mm foam pad, the intracranial pressure is decreased by 50%, and the deformation of the back of helmet is decreased by 10%.

ordnance science and technology; ballistic helmets; behind armor ballistic trauma; skullfracture; protection

2016-11-17

博士后面上項目(2016M592421)； 國家自然科學基金項目(51405153)； 湖南省科技支撐計劃重點項目(2015NK3031)； 湖南省重點研發(fā)計劃項目(2016GK2077)； 湖南省教育廳重點項目(17A068)

蔡志華(1981—)，男，講師，碩士生導師。E-mail:caizhihua003@163.com

TJ012.4

A

1000-1093(2017)06-1097-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.06.008