气囊囊压对作训裤膝部防护性能的影响研究

施晓晴 谢依漫 赵浩男 苏军强

摘要： 针对军事训练伤中因与地面接触、摩擦造成的膝部软组织挫伤等损伤，气囊可以作为防护材料与作训裤结合设计，然而气囊囊压与其缓冲性能并不是简单的线性关系。本文以嵌入式作训裤为载体，以膝部气囊的防护性能为研究对象，选择了低姿匍匐和卧倒等动作，基于FSR薄膜压力传感器进行压力测试以获得膝部受到的压力。再利用仿真软件ABAQUS，将压力测试中的峰值力施加在气囊表面，探讨了不同气压下的气囊形变效果，并对不同动作下的气囊囊压和最小外力功进行了单因素方差分析。结果表明，气囊作为该嵌入式作训裤的膝部防护材料，随着气囊囊压的上升，缓冲吸能效果显著提高，当气囊囊压达到50 kPa防护效果最佳。

关键词： 气囊;作训裤;ABAQUS;防护性能;作训动作;仿真模拟

中图分类号： TS941.17

文献标志码： A

文章编号： 1001-7003（2023）07-0055

作者简介：

施晓晴（1999），女，硕士研究生，研究方向为服装智能制造。通信作者：苏军强，副教授，jqsu@jiangnan.edu.cn。

军事训练损伤（Military Training Injuries，MTI）是因军事训练活动造成的运动系统或组织器官损伤。据研究调查，中国军队军事训练损伤的发生率在15%～18.7%，其损伤类型主要包括骨关节和软组织损伤，分布的主要身体部位是下肢、上肢、躯干与头颈［1］。体能训练和战术训练中存在着大量的下肢运动，如匍匐、武装越野、卧倒等，除去因骨骼和肌肉过度劳损导致的应力性损伤，很多动作都存在着大量的接触、摩擦地面训练，反复的摩擦容易对下肢部位造成损伤，可能导致肌腱和韧带受损及关节活动障碍［2］。王磊等［3］通过对1 015例士兵的训练伤进行研究，发现大部分士兵均有膝关节损伤;Muller等［4］基于基础军事训练损伤对774个受试者进行数据分析，同样得到下肢中主要包括膝关节扭伤、急性骨折等损伤。因此，膝关节防护更应该注重防护，必要时需要穿戴护膝等装备，提高膝关节的稳定性。

气囊是一种通过囊内空气或者其他介质实现缓冲作用的防护性材料，其最初应用在汽车的安全防护系统，后因气囊有很好的安全防护和缓冲吸能的作用，逐渐被应用在功能性服装领域中。杜子文等［5］基于气囊的缓冲作用，研究设计了保护工人高空坠落的智能气囊防护服。张文龙等［6］同样运用安全气囊的防护原理，对老人跌倒防护气囊进行了研究设计。

充气压力作为影响气囊缓冲性能的重要因素，其与缓冲效果之间并不是简单的线性关系。温金鹏等［7］在气囊减缓冲击的研究中，表明适当增加气囊初始压力可以有效增加缓冲能力，但是当气囊初始压力超过极限压力，则会使缓冲性能降低。因此，气囊作为防护材料与服装结合时，需要考虑到气囊的囊内压力对气囊防护效果的影响。目前对于气囊的防护性研究主要有两种方法，一种是采用仿真软件，模拟气囊的受力形变情况和能量变化，如张全学等［8］建立气囊与髋骨的有限元模型，通过虚拟仿真的方式来探究某型气囊的缓冲作用。另一种则是采用实验法，如杨威等［9］在研究气囊囊压对跌倒防护气囊的缓冲性能时，提出一种等效模型，建立跌落测试平台来进行实验。

本文以作训裤为载体，进行了膝部气囊式防护垫设计，以降低作训动作中膝部受到的软组织挫伤等伤害。同时，为确定防护性最佳的气囊囊压范围，本文探究了气囊囊内压力与膝部缓冲效果之间的影响关系。针对代表性的作训动作，采用薄膜压力测试仪器进行压力峰值测试，结合仿真软件，量化囊压与缓冲效果的关联性，为膝部气囊式防护垫的设计提供参考依据。

1 实 验

1.1 嵌入式作训裤

作训环境是实战化训练的载体，在单兵防护系统的发展中应该做到精准防护。目前作训服通常是在膝部、肘部等关节中利用内补丁的方式为护垫的装配预留空间［10］，但是这种方式在实际应用中护垫难以拆卸，无法实现随意加装护垫。虽然可以通过粘贴式和捆绑式的方法加装护垫，但是这种在穿脱时需要耗费一定时间，且携带不方便。因此本文在作训裤的设计中，采用嵌入式的方式将气囊防护材料与作训裤的防护部位相结合，在膝盖防护部位以插袋的形式来容纳气囊防护材料，如图1所示。当需要防护的时候，将气囊直接放入插袋中，通过魔术贴将插袋上开口密封，利用绑带固定气囊并防止气囊移位，同时可以调整膝部防护部位的松紧程度。

根据上述设计制作作训样裤，嵌入式作训样裤实物如图2所示。作训时，可以直接将气囊防护材料置入作训裤的膝盖部位，与传统的捆绑式防护垫设计相比，具有结构稳定、易于拆卸的优势。

1.2 膝部气囊

膝部关节主要包括髌骨、半月板等，其中髌骨是膝部的核心关节［11］，它与股骨相连，集中并传导股四头肌不同方向的牵引力，在膝部关节的保护中起到了重要作用。作训时膝部的髌骨处可能会受到高强度压力及摩擦，比起膝部其他部位更需要有效的减震防撞，同时髌骨的运动范围较大，需要对髌骨部位进行一定的固定作用［12］。

故将气囊的中间设计为圆形腔体，对应着膝部的髌骨部位，当气囊充气后，圆形腔体膨胀压迫膝部，限制髌骨的运动范围，以达到保护髌骨的目的。其他部位为若干个长方形腔体，当气囊充气膨胀后，以便贴合膝部从而达到防护效果。膝部气囊平面和实物如图3所示。

1.3 作训动作选择

匍匐前进和卧倒均属于单兵战术训练的基础动作科目。匍匐前进依据遮蔽物的高度分为低姿匍匐、侧身匍匐和高姿匍匐，是利用较低遮蔽物或者通过较短地段时采用的前进方法。匍匐前进利用手臂和腿部的攀爬力量，在軀体贴近地面时也能使身体整体前进运动，蹬地时除了手臂肌肉和肘关节的支撑作用，股内侧肌、膝盖内侧、小腿三头肌等下肢部位都产生了较大的支撑反作用力［13］。卧倒是当发生爆炸时对减少爆炸伤害的有效动作，在与地面接触前，身体需要前倾重心前移，同时左手向前伸出，并迅速按照手、肘、膝的顺序侧卧。在作训过程中，匍匐前行和卧倒都需要膝部与地面发生碰撞摩擦，且长时间肢体与地面或障碍物直接接触，容易发生软组织挫伤。因此在作训中，需要在作训裤上设置防护部位以保护膝部。故本文针对作训裤中膝部设计的气囊防护材料，选择匍匐前进（包括低姿匍匐、侧身匍匐和高姿匍匐）和卧倒作为所测试的作训动作进行防护性实验。

2 基于薄膜压力传感器的压力测试

2.1 实验仪器与原理

FSR电阻式薄膜压力传感器可以灵敏地捕捉到动态力，且因为是柔性材料，可以弯曲折叠，能够适用于复杂表面。Wiener等［14］利用压电薄膜传感器进行防护部位的跌倒性能测试，但是由于受到作用力產生的电荷信号较微弱，此类传感器更加偏向于定性分析压力的变化趋势或者相对大小。考虑到测量的精度问题，需要将采集的电阻值转化为电压值［15］，调节输出的模拟电压值范围以增益灵敏度。本文通过线性电压转换模块和ARDUINO例程将电阻值转化为压力值，利用单片机控制板读取并在串口软件上获取相应的力值信息。整套测试仪器如图4所示，包括FSR电阻式薄膜压力传感器、压力转换模块、单片机控制板，其中薄膜压力传感器的型号为IMS-S40A，面积为40 mm×40 mm，灵敏度范围为0.5～30.0 kg。

2.2 实验设计

选取8名经常锻炼的受试者，年龄（23±1）岁，身高（163±3） cm，体重（57±6） kg，BMI在19.9～22.8 kg/m2，均在正常的体脂范围内。所有受试者近期内下肢无损伤史，且均在学习匍匐前行和卧倒动作后进行实验。

考虑到预设的气囊囊压变化区间较大，受试者需要多次重复作训动作，时间较长，可能会使受试者产生一定的疲劳度从而影响测试结果，因此该实验仅测试无气囊状态下防护部位受到的压力大小。

8名受试者测试前先做好热身准备工作。因为匍匐前进是周期性运动，以及卧倒动作为左肢支撑，转体伏地时右膝与地面碰撞，故将柔性薄膜压力传感器贴在受试者的右膝部位置。根据作训动作膝部受力情况的不同，选择不同的测试部位，每个受试者每个动作分别测试3次，通过单片机控制板与电脑中的串口软件相连得到压力数据，具体流程如图5所示。

2.3 测量结果与分析

2.3.1 重复性检验

组内相关系数（ICC）是一种重复测量检验，可以用来评价受试者对测量结果的一致性或者可重复性。为了检验上述实验获得的数据能否测量同一特质，故对所获得的每组数据进行ICC分析。当ICC值小于0.4表示信度较差，0.4～0.75表明信度一般，大于0.75表示信度良好。三组匍匐前行的ICC相关系数分析结果如表1所示，ICC值分别为0.788、0.761、0861、0.795。可以看出所测数据一致性较好，具有可重复性。

2.3.2 低姿匍匐

低姿匍匐为周期性动作，对低姿匍匐的运动过程进行观察，蹬地动作主要是通过膝部内侧与地面之间的反作用力来完成，主要的受力部位为膝部内侧。可以将低姿匍匐分为两个个阶段，即蹬地阶段（T1）与屈腿阶段（T2），如图6所示。整个过程膝部内侧所测压力呈先增大后减小的趋势，T1阶段所测压力明显增大，此阶段右腿膝部内侧逐渐受力以完成蹬地前行。T2阶段压力慢慢减小，因为在该阶段过程中，右侧膝部在完成蹬地后开始屈腿，左臂前伸同时左腿开始发力蹬地使肢体前移，此时右侧膝部与地面之间的作用力减小。峰值点上的力为蹬地瞬间膝部内侧与地面之间的作用力，取其峰值的平均值为94.2 N。

2.3.3 侧身匍匐

侧身匍匐几乎是靠着左臂和右肢的力量匍匐前进，身体左侧与右肢与地面接触，左臂向前倾斜以支撑上体，左腿弯曲右腿着地。一个周期过程所测压力呈现先增大后减小的趋势，可以将侧身匍匐主要分为两个阶段，如图7所示。T1阶段身以左小臂的支撑力、左手的扒力和右脚跟的蹬力使身体前移，此阶段主要是膝部内侧与地面开始发生作用力，故膝部所受压力在不断增大。T2阶段为左大臂向前倾斜伸出，右脚跟靠近臀部着地。膝部所受压力在不断减小。侧身匍匐过程中的峰值力为右腿前移时膝部受到的作用力，取压力峰值的平均值为137.9 N。

2.3.4 高姿匍匐

高姿匍匐为肘部和膝部同时支撑身体，依次前移左肘和右膝，交替前移。可将整个过程分为右膝蹬地阶段（T1）和抬腿阶段（T2），如图8所示。T1阶段时，右侧膝部开始与地面摩擦，与地面之间的作用力逐渐增大。T2阶段左肘支撑右膝上抬，左膝开始与地面作用使肢体前移，故此阶段右膝所测压力逐渐减小，理应减小到0，但是膝盖弯曲时与薄膜压力传感器产生微弱作用，导致仍有压力记录。取压力峰值的平均值为177.7 N。

2.3.5 卧 倒

卧倒动作的过程为左脚先向前迈进一步，上肢前倾，按左膝、左肘、左小臂的顺序着地，然后转体，此时右膝与地面发生碰撞，全身伏地。当转体伏地时，右膝会受到地面的碰撞，此时膝盖与地面产生冲击力。由于该冲击力为瞬时冲击力，故此时所测压力即为该动作下的峰值压力，记录受试者的受力情况，取其峰值的平均值为232.4 N。

3 不同囊压下的缓冲仿真分析

若是以实验的方法，将上述所测的峰值力直接撞击气囊，考虑到难以掌控撞击力的力度大小，且涉及的作训动作较多，预设的气囊囊压范围较大，探究不同囊压的气囊缓冲效果较难，故采用仿真分析的方法。在仿真软件ABAQUS中模拟不同气囊压力下的气囊，将峰值力作为施加在气囊表面的载荷力，对气囊缓冲过程中的受力形变等进行研究分析。

3.1 防护部位的气囊建模

以膝部中的防护气囊为研究对象，建立有限元模型，并利用Hypermesh软件对该模型划分网格，最后再导入软件ABAQUS中完成气囊的材料参数设置。该气囊模型尺寸与实际设计尺寸一致，为283 mm×243 mm，包括若干个长方形腔体和中间的圆形腔体，每个腔体的尺寸为237 mm×25 mm，圆形腔体的半径为35 mm，膝部气囊的有限元网格模型如图9所示。

3.2 仿真结果分析

3.2.1 气囊仿真形变效果

利用ABAQUS的Fluid cavity功能模拟气体行为［16］，不考虑气体温度变化的影响，采用理想气体方程来描述气体的体积与压力关系进行模拟分析。根据作训动作分为4组仿真实验，将4个动作中所测得的峰值压力作为外部载荷力，施加在不同初始囊压的气囊表面上。在不同的气囊囊压下进行仿

真测试，具体情况如表2所示。

本文以低姿匍匐为例进行气囊仿真形变效果的分析。图10为基于低姿匍匐的峰值载荷力，气囊在不同囊压下的缓冲形变效果与应力云图。气囊形变是气囊体积和外界载荷力的共同结果，载荷力一定时，随着气囊囊压增加，气囊表面受到的应力在逐渐增大。同时气囊受外力彎曲变化逐渐减小，这是因为气囊的缓冲性能随着气囊囊压的增加而提升。

从图10可以看出，囊内压力增加，由于气囊的缓冲作用及气囊体积在不断地增加，气囊弯曲形变程度在逐渐变小。在囊内气压达到20 kPa前，气囊的形变弯曲程度在明显减小，这说明气囊对作用力的防护效果显著增加。30～60 kPa，气囊弯曲程度没有较大区别，这是因为此时气囊囊压的增加，虽然对气囊缓冲性能有影响，但是这个区间的气囊囊压的缓冲效果区别不够明显，或者由于气压增大气囊体积增加，故不如前20 kPa的弯曲形变效果明显。

3.2.2 气囊体积变化

图11是在4个作训动作下，不同气囊囊压的气囊体积（Fluid Cavity Volume，CVOL）变化曲线。分析可知，气囊体积总体上呈现上升趋势，这是因为气囊在不断充气膨胀。从时间角度来看，气囊体积曲线在前面的时间段上升较为波折，到达一定时间后曲线开始平稳。分析认为这是因为波折时间段气囊气压尚小，气囊的缓冲作用对压力吸收效果不佳，当到达一定时间后，气囊开始对压力的缓冲吸能明显提高，此时作用力对气囊体积影响较小，气囊体积开始平稳增加直到稳定。从不同气囊体积角度来看，5～10 kPa与20～60 kPa的气囊体积曲线相比，前者曲线更加波动且波折时间段较长，分析认为这是因为前者的囊压范围与后者相比，缓冲作用较差。

4 不同囊压的气囊缓冲性能比较分析

4.1 气囊模型外力做功

图12为外部载荷做功（External Work，ALLWK）变化曲线。外部载荷的主要是指来自外界对结构产生影响的约束力

与外力，这里的外力做功主要是来自气囊表面上施加的载荷做功。结合能量公式（1）（2）［16］与图12可以看出，模型的能量可以分为外力功输入部分及输出部分，输出部分包括流体腔能量、模型内能、动能等。

从时间上看，曲线呈幅值波动状。这主要是因为该模型采用动力显示分析方法，非静止平衡状态下，物理量随时间变化会有波动。结合式（1）（2）分析，在气囊不同囊压下，外力做功有先增加后减小的趋势。这是因为气囊表面所受到的压力不断增加，导致外力做功也随着不断增加，但是随着气囊膨胀对外力缓冲吸能作用的加强，外部载荷能量开始减少，逐渐转化为内能、动能、摩擦耗损能等能量。因此，此阶段的外力功在逐渐减小。曲线的波谷点即气囊模型的最小外力功，此时的缓冲性能达到最佳。

4.2 不同动作下气囊囊压的防护效果分析

综上分析可知，当气囊模型达到最小外力功时缓冲性能最佳，故记录气囊囊压的最小外力功，并对作训动作、气囊充气压力和最小外力功进行数据分析。各个作训动作下，不同

囊压对应的最小外力功如图13所示。由图13可以看出，控制气囊囊压这一变量，由于作训动作不同，随着峰值力的增加，最小外力功在不断增加;控制作训动作这一变量，最小外力功随着气囊囊压的增加基本在逐渐减少，40～60 kPa相差不大，甚至当60 kPa时最小外力功略有上升，分析认为这是与该气囊的极限充气压力有关。

图13 各个作训动作下不同囊压的最小外力功

Fig.13 Minimum external force work of different bladderpressures under training movements

将作训动作、气囊囊压作为自变量，最小外力功作为因变量，采取单因素方差分析和事后多重比较的方法来判断气囊囊压和作训动作是否对最小外力功有显著性差异。表3为主体间效应的检验，用来判断对因变量是否有显著影响。表4为SNK检验后的结果，即对气囊囊压之间进行两两比较，以判断气囊充气压力与最小外力功的具体关系。从表3可以看出，作训动作和气囊囊压的Sig.值均小于0.05，说明作训动作和气囊囊压均对因变量最小外力功主效应显著;偏η2越大，说明效应量越大，可以看出气囊囊压比作训动作对因变量的主效应更明显。由表4中关于气囊囊压的SNK法比较结果可知，气囊囊压水平可以分为三类：囊压在5 kPa时，缓冲性能较差;囊压在10 kPa时，缓冲性能一般;囊压在20～60 kPa，缓冲性能较好。其中当气囊囊压为50 kPa时，最小外力功均值最低，此时缓冲吸能作用最好。

5 结 论

本文基于4种作训动作，探讨了气囊囊压对作训裤中膝部气囊防护效果的影响。针对不同作训动作下膝部受到的作用力，采用薄膜压力传感器对不同动作过程进行压力测试。同时利用仿真分析的方法，模拟不同囊压的气囊在压力峰值作用下的缓冲吸能效果。比较气囊模型的最小外力功和相应的气囊囊压，并进行数据分析，可得到以下结论。

1） 无论哪种作训动作，气囊囊压与最小外力功显著相关，且随着气囊囊压上升，最小外力功逐渐变小，说明气囊的缓冲吸能效果在逐渐提高。但是当气囊囊压到达一定值之后，最小外力功有所增加，表明其缓冲性能随着气囊囊压的增加呈现先增加后减小的趋势。

2） 通过多重检验的方法对气囊囊压之间进行比较。根据缓冲吸能性能的差异，可以将气囊囊压分为三类。分析可知，最小外力功在囊压为50 kPa时达到最低值，故当气囊囊压设置为50 kPa时缓冲效果最佳。

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