底部爆炸冲击下装甲车乘员下肢损伤行为与防护研究

牛 坤，焦 猛，莫富灏，李桂兵

(1.湖南科技大学 机电工程学院， 湖南 湘潭 411201； 2.湖南大学 机械与运载工程学院， 长沙 410082)

1 引言

在现代非对称性战争中，反坦克地雷或简易爆炸装置的使用越来越多，装甲车乘员仍面临着底部冲击造成的巨大安全威胁，其中乘员下肢是受伤概率最高的身体部位之一[1-2]。下肢损伤虽不一定致命，但可致残而导致伤者长期丧失生活自理能力，给伤者与社会造成巨大的经济损失。因此，开展底部冲击载荷下的装甲车乘员下肢损伤防护研究具有重要意义。

目前，针对装甲车底部冲击的损伤和防护的研究主要包括尸体冲击试验、假人冲击试验和数值仿真等方法[3-17]。其中，尸体冲击试验最能反映人体的响应，在国外常被用于军事研究。如：Yoganandan等[3]以3.4～7.6 m/s的冲击速度对PMHS下肢进行一系列冲击试验，并基于胫骨轴向力建立了不同年龄组的损伤风险曲线；McKay等[4]以11.6 m/s的高速冲击下进行类似的测试；Quenneville等[5]以12.4 m/s的冲击速度施加短持续时间的轴向脉冲来测试固定的、孤立的胫骨响应与损伤。但是，由于尸体实验的高成本和低重复性，具有替代性的机械假人及其有限元模型越来越多的被运用于碰撞冲击载荷下的车辆乘员损伤防护研究[6-7]，在装甲车底部冲击防护研究中以Hybrid-Ⅲ假人应用最为广泛。如：Nilakantan等[8]用Hybrid-Ⅲ假人有限元模型研究了不同姿势和加速度水平下乘员下肢响应。随着人体数值模型的发展，有限元人体模型逐渐被用于装甲车底部冲击乘员损伤研究。如：Suresh等[9]改进韦恩州立大学人体模型，研究了垂直冲击载荷下腿部姿势对胫骨力和弯矩的影响；Kraft等[10]建立了高速垂直载荷下小腿-足部复合体的有限元模型。但是，现有的人体下肢有限元模型大都是基于欧美人体建立,与中国人体存在较大差异。国人下肢有限元模型研究虽然得以开展[11-12]，但在装甲车乘员损伤与防护研究中尚未得到应用。

另一方面，防护结构的设计和优化是装甲车底部冲击乘员防护的主要措施。如：Wei等[13]基于因子分析的多参数优化策略,对轻型装甲车辆安装的多层蜂窝夹层结构(MHSS)、减震座椅和安全带的配置进行优化；Langdon[14]通过对V型板几何结构进行修改的影响的实验研究结果对V型板进行优化；李明星等[15]应用径向基函数神经网络近似模型和多目标遗传算法对装甲车辆防护组件进行优化设计；王显会等[16]仿真分析爆炸冲击作用下单层纵向、横向布置蜂窝夹层结构与1.5层、双层横向布置蜂窝夹层结构的防护性能；魏然等[17]用帕累托最优的多目标遗传算法对防护脚垫结构中钣金件的厚度、几何形状等参数进行优化。虽然，前人已经开展了大量研究，但大都均未以人体损伤生物力学响应为直接参考。

本研究采用精细化的中国人体下肢有限元模型，通过不同底部冲击载荷下的乘员下肢冲击受载仿真分析，深入研究底部冲击载荷下的装甲车乘员下肢生物力学响应和损伤行为，基于中国人体下肢有限元模型响应和损伤风险曲线分析不同防护脚垫设计的防护性能，并对其中的高性能防护脚垫结构进行了优化设计。

2 底部冲击下人体下肢生物力学响应分析

2.1 人体有限元下肢模型

本研究使用的人体下肢有限元模型(如图1所示)由湖南大学研究团队基于中国50百分位人体CT和MRI医疗影像数据建立[11-12]，模型具有详细的解剖学结构，其中采用了1D梁单元与3D实体单元耦合的肌肉模拟方法，是具有3D分块肌肉和肌肉主动力控制的人体下肢-盆骨有限元模型，该模型命名为HALL(human active lower limb)模型。HALL模型在建立之处就参考尸体试验数据对胫腓骨进行了动静态三点弯曲验证和小腿轴向冲击验证[11]；其后通过志愿者试验数据对膝关节和下肢步态肌肉主动力进行了验证[12]；最近文献[18]中又基于MRI影像及解剖学图谱对该模型的足踝韧带进行精细化建模，并通过不同足部旋转角度、不同冲击速度和初始姿势对下肢模型进行详细验证。HALL已被广泛应用于研究人体下肢在不同载荷下的损伤机理及耐受性[19-21]，本研究首次将HALL模型用于底部冲击下的装甲车乘员下肢损伤防护研究。

图1 人体下肢有限元模型结构图Fig.1 Finite element model of human lower limbs

2.2 下肢模型冲击受载仿真

为模拟底部冲击载荷下的装甲车乘员下肢受载工况，本文中建立了不同能量等级下的下肢模型冲击受载仿真模型。仿真模型中大腿保持水平，盆骨附加质量54 kg，大腿与小腿之间成90°夹角，脚底水平放置，在脚底放置质量为5.5 kg的冲击器，在胫骨中间处设置胫骨轴向力测量截面(如图2所示)，整个模型置于重力加速度场中。冲击器速度设置为三角形[8-9]，撞击速度在1 ms时达到峰值，总持续时间为10 ms(如图3所示)，冲击器速度峰值设定为4～14 m/s(共11组仿真工况)。

上述边界条件涵盖了反车辆地雷爆炸的典型加载情况[3-5]。

图2 冲击受载模型示意图Fig.2 Impact load model

图3 冲击器速度加载曲线Fig.3 Impactor velocity loading curve

2.3 下肢损伤行为分析

如图4所示为人体模型冲击受载整体响应过程。从图中可以看出冲击器施加的能量通过脚底板瞬间传递给跟骨，然后通过距骨传递到胫骨，之后引起膝关节受载将载荷传递至大腿，导致大腿上抬。图5为胫骨轴向力响应曲线，胫骨轴向力开始发生在0.5 ms内，胫骨轴向力峰值在撞击后1～2 ms达到，之后受到缓冲地板速度会逐渐减小，由于地板具有一定的惯性,所以车辆地板的位移并不会立即截止而是会继续向上运动，对人体模型的下肢进行挤压。在撞击后的3～10 ms，载荷逐渐下降并回到其基线。在模拟的力上可以观察到振荡，这是由长骨的弯曲和反弹响应引起的。

图4 下肢受冲击过程示意图Fig.4 Lower limb impact process

图5 胫骨轴向力响应曲线Fig.5 Response curve of tibia axial force

在11组仿真分析中，冲击器速度为4～8 m/s的5组仿真胫骨无骨折，冲击器速度为9～14 m/s的6组仿真胫骨有骨折，胫骨骨折形式如图6所示，主要表现为胫骨远端轴向压缩骨折。如图7所示，胫骨无骨折6 m/s和有骨折10 m/s时小腿的Von Mises应力分布云图。

图6 胫骨骨折形式云图Fig.6 Forms of tibial fractures

图7 不同冲击器速度时小腿各部的Von Mises 应力分布云图Fig.7 Von Mises stress distribution cloud map of each part of the lower leg at different impactor speeds

在人体下肢受到冲击时，跟骨-距骨-胫骨接触面和胫骨远端应力集中现象明显，这些部位具有较高骨折损伤风险。

如图8所示，无骨折的5组仿真轴向力峰值平均值为 5.10 kN，有骨折的5组仿真轴向力峰值平均值为11.26 kN，无骨折与有骨折的轴向力峰值平均值差异显著(p=0.03)。如图9所示，胫骨轴向力峰值与小腿应力峰值呈现正比的关系，胫骨轴向力可以代表小腿应力去评估胫骨骨折。

图8 胫骨有无骨折时胫骨轴向力峰值直方图Fig.8 Comparison of the peak axial force of the tibia with and without fracture of the tibia

图9 胫骨轴向力峰值与小腿应力峰值的关系曲线Fig.9 The relationship between the peak axial force of the tibia and the peak stress of the lower leg

3 不同脚垫的防护性能分析

3.1 不同类型脚垫的防护性能分析

脚垫可以通过吸能减轻车底爆炸对下肢的冲击，是目前主要的防护手段之一。因此，设计了4种不同结构和材料的脚垫：圆孔型橡胶脚垫、IMPAXX泡沫脚垫、六边形铝合金脚垫、波浪形铝合金脚垫(如图10所示)。根据人体模型脚的大小确定脚垫模型的基本尺寸为420 mm×150 mm×20 mm，其中脚垫高度定义为20 mm旨在减小脚垫对乘员空间影响。圆孔型橡胶脚垫使用具有良好吸能减震特性的橡胶材料，圆孔大小为15 mm，相邻圆孔距离为20 mm，圆孔横向排列；IMPAXX泡沫脚垫使用陶氏公司的新型吸能泡沫材料IMPAXX；六边形铝合金脚垫和波浪形铝合金脚垫都使用铝合金材料，六边形铝合金脚垫用正六边形结构，由上下2个板和中间正六边形结构构成，边长为11.547 mm，厚度为0.1 mm；波浪形铝合金脚垫用波浪形结构，由上下2个板和中间波浪形结构构成，波长为39 mm，厚度为0.3 mm。

图10 不同脚垫横截面示意图Fig.10 Cross-sections of different pads

为分析不同脚垫的防护性能，首先建立了脚垫-人体下肢冲击受载仿真模型，冲击速度选用6 m/s和10 m/s两种典型工况，仿真中脚垫置于脚底和冲击器之间(如图11所示)。然后采用前人基于尸体实验中胫骨轴向力数据和威布尔模型构建的胫骨骨折损伤风险曲线作为防护性能的评价准则[4]，损伤风险曲线表达式如下：

P(x)=1-exp[-(x/λ)κ]

式中：P为胫骨骨折概率;x为胫骨轴向力;κ和λ是与预测变量相关联的相应系数(κ为1.94，λ为7.766)。

图11 冲击器-脚垫-下肢模型示意图Fig.11 Impactor-footpad-lower limb model

图12和图13所示分别为不同脚垫防护和无防护时的人体下肢模型胫骨轴向力曲线和胫骨骨折损伤风险曲线。从图中可知：

1) 圆孔型橡胶脚垫在6 m/s和10 m/s冲击速度下胫骨轴向力的峰值分别为3.87 kN和7.40 kN，其对应的胫骨损伤风险分别为22.8%和59.8%，分别较无防护时降低33.1%和20.1%。橡胶脚垫在中速冲击下可以起到防护作用，但是在高速冲击下并不能起到有效防护作用。

2) IMPAXX泡沫脚垫在6m/s和10m/s冲击速度下胫骨轴向力的峰值分别为2.82 kN和4.56 kN，其对应的胫骨损伤风险分别为13.1%和30.0%，分别较无防护时降低60.4%和69.3%。IMPAXX泡沫脚垫对中高速冲击都具有防护作用，但是高速冲击时对下肢的防护性能不能达到预期。

图12 胫骨轴向力曲线Fig.12 Comparison of tibia axial force

图13 胫骨损伤风险曲线Fig.13 Comparison of the risk of tibial injury

3) 六边形铝合金脚垫在6 m/s和10 m/s冲击速度下胫骨轴向力的峰值分别为2.45 kN和3.36 kN，其对应的胫骨损伤风险分别为10.1%和17.9%，分别较无防护时降低69.5%和76.0%。六边形铝合金脚垫对中高速冲击都具有良好的防护作用。

4) 波浪形铝合金脚垫在6 m/s和10 m/s冲击速度下胫骨轴向力的峰值分别为1.33 kN和3.22 kN，其对应的胫骨损伤风险分别为3.2%和16.6%，分别较无防护时降低90.3%和77.8%。波浪形铝合金脚垫对中高速冲击都具有更好的防护作用。

综上所述，脚垫可以延迟胫骨轴向力的上升时间，并且降低峰值。波浪形铝合金脚垫不管是在中速冲击还是在高速冲击下都具有更好的防护效果。

3.2 波浪型脚垫优化

上述研究表明波浪形脚垫的防护效果最佳，但是研究的波浪形脚垫的波形板厚度单一，下面对波浪形脚垫的厚度与波长对防护性能的影响进行研究。波浪形脚垫仍然选用铝合金材料，波形板厚度由0.1～0.7 mm进行变化，波长由150/2～150/8 mm进行变化，以10 m/s的冲击速度组成7×7的仿真矩阵，仿真结果如表2所示。基于仿真结果绘制不同波长与波形板厚度的波浪形脚垫对应的轴向力峰值等值线如图14。

表2 不同波长与厚度的波浪形脚垫对应的 轴向力峰值(kN)

图14 不同波长与厚度的波浪形脚垫对应的 轴向力峰值等值线Fig.14 Contours of axial force peaks corresponding to wavy pads with different wavelengths and thicknesses

从图14中可知，波长和波形板厚度的不同组合对脚垫的防护性能有显著影响，其中脚垫厚度为0.4 mm/波长为25～35 mm，或厚度为0.5 mm/波长为35～45 mm时，波浪形脚垫具有最好的吸能缓冲效果。

4 结论

以精细化中国人体下肢有限元模型为工具，通过数值仿真方法，对底部冲击载荷下的装甲车乘员下肢生物力学响应进行了分析，研究了不同结构和材料的脚垫对下肢损伤的防护性能。结果表明：

1) 底部冲击载荷下，装甲车乘员下肢跟骨-距骨-胫骨接触面和胫骨远端应力集中现象明显，从而踝关节和胫骨远端具有较高骨折损伤风险，且骨折主要表现为压缩骨折，胫骨轴向力可有效表征其骨折风险。

2) 波浪形脚垫可有效降低下肢爆炸伤害，6 m/s和10 m/s峰值冲击时其防护下的胫骨骨折损伤风险分别低于10%和20%，分别较无防护时降低90.3%和77.8%。

3) 波形板厚度0.4 mm/波长25～35 mm，或波形板厚度0.5 mm/波长35～45 mm时，波浪形脚垫具有最好的防护效果。

建议在针对乘员下肢防护的军用车辆安全性设计中考虑踝关节和胫骨远端骨折损伤，采用科学的脚垫设计降低爆炸冲击载荷下的人体下肢损伤风险。