手槍彈撞擊戴防彈頭盔人體頭頸部靶標(biāo)的鈍擊效應(yīng)

沈周宇， 溫垚珂， 閆文敏， 董方棟， 張俊斌， 李穎

(1.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094； 2.中國兵器工業(yè)第208 研究所 瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點實驗室， 北京 102202；3.63856部隊， 吉林 白城 137001； 4.解放軍東部戰(zhàn)區(qū)空軍醫(yī)院， 江蘇 南京 210002)

0 引言

頭盔致頭部鈍擊傷(BHBT)是指槍彈和破片等侵徹防彈頭盔，在未穿透頭盔的情況下使頭盔產(chǎn)生變形，并將撞擊力傳遞到頭部致使顱腦受到的損傷。美軍在越戰(zhàn)中的統(tǒng)計表明，在傷亡士兵中有43%是死于頭頸部受創(chuàng)；在伊拉克約70%的美軍傷亡包含頭頸部傷害，其中又有50%以上是由非貫穿性沖擊造成的頭頸部損傷。2001—2012年的軍事沖突中，美軍有超過6 000人受槍傷，其中頭頸部是僅次于四肢的第二常見受傷部位，且頭頸部鈍擊傷會導(dǎo)致腦挫傷、短暫失明和面部骨折等嚴(yán)重后果。防彈頭盔是戰(zhàn)場上保護士兵頭部免受槍彈和破片直接傷害的最重要防護裝備，研究防彈頭盔致頭頸部鈍擊損傷機理，不僅有助于鈍擊傷救治，也有助于為防彈頭盔改進設(shè)計提供指導(dǎo)。

近年來，國內(nèi)外研究者對佩戴防彈頭盔的人體頭部鈍擊傷進行了廣泛研究。黃藝峰開展了長白豬頭部在防彈板防護下的鈍擊效應(yīng)試驗，獲得了豬顱腦損傷的生理、病理、生化改變和鈍擊導(dǎo)致的功能行為學(xué)障礙特征。Liu等分別在活體豬頭部和仿生豬頭部埋設(shè)壓力傳感器，研究了鈍擊過程中豬顱內(nèi)壓力的動態(tài)變化特征。栗志杰等建立了頭部有限元模型，使用Nahum尸體頭部碰撞試驗進行了驗證，利用該模型的仿真結(jié)果建立了腦組織挫裂傷損傷準(zhǔn)則。Rafaels等開展了子彈侵徹戴防彈頭盔的尸體頭部損傷實驗，發(fā)現(xiàn)BHBT易導(dǎo)致沖擊部位附近的凹陷性骨折和遠離沖擊部位的線性骨折。Li等研究了鈍擊情況下頭盔泡沫墊硬度、佩戴間隙、盔殼厚度和沖擊方向?qū)︻^部造成損傷的影響。Sarron等研究了子彈沖擊不同材料防彈板防護后的顱骨骨折和腦損傷情況，發(fā)現(xiàn)骨折與顱內(nèi)壓和腦脊液壓力有關(guān)，且合適的佩戴間隔能顯著降低損傷程度。Mao等使用了大鼠大腦有限元模型，研究認(rèn)為鼠腦在受撞擊后的損傷機制與最大主應(yīng)變、最大剪切應(yīng)變和應(yīng)變能密度相關(guān)。Pintar等構(gòu)建了一個頭部有限元模型并制作了與其對應(yīng)的實體靶標(biāo)，對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)進行了試驗研究。Jazi等研究了頭盔內(nèi)不同的泡沫填充材料在手槍彈鈍擊情況下對大腦的影響。Cai等為研究防彈頭盔后鈍擊效應(yīng)，構(gòu)建了一個包含顱骨、大腦、小腦等解剖結(jié)構(gòu)的高精度人體頭頸部有限元模型，開展了槍彈沖擊帶防彈頭盔人體頭部的數(shù)值模擬，結(jié)果表明有泡沫時的顱內(nèi)壓力峰值減少了20.6%，頭盔的背面變形量減少了10%左右，還對比了不同泡沫的防護性能，并制作了設(shè)有傳感器的頭部實體靶標(biāo)對泡沫的作用進行了驗證。Yang等開展了手槍彈侵徹佩戴Kevlar頭盔人體頭部模型的仿真，獲得了頭骨和腦組織內(nèi)的典型應(yīng)力和應(yīng)變分布，并基于頭部損傷指標(biāo)(HIC)來評估頭部的鈍擊損傷嚴(yán)重程度。

綜上所述，頭盔彈著點處的瞬態(tài)變形是導(dǎo)致頭部鈍擊傷的最直接原因，但由于復(fù)合材料頭盔的各項異性及損傷模式多樣性，目前對頭盔瞬態(tài)變形過程的測試和模擬還需進一步深入。此外，對于鈍擊過程中造成的頸部損傷機理也有待進一步闡明。

本文采用槍彈撞擊頭盔殼頂部的三維數(shù)字圖像相關(guān)法(3D-DIC)實驗結(jié)果驗證頭盔仿真模型的準(zhǔn)確性，從而為頭頸部鈍擊效應(yīng)模擬提供更準(zhǔn)確的瞬態(tài)變形輸入。頭頸部鈍擊效應(yīng)仿真結(jié)果主要采用從相關(guān)文獻中獲取實驗數(shù)據(jù)來校驗，由于不同研究者采用的頭頸部模型和實驗狀態(tài)的差異性，后續(xù)還將建立與本文仿真模型相一致的頭頸部實物模型來獲取實驗數(shù)據(jù)。

本文基于Hashin失效準(zhǔn)則和漸進退化損傷演化理論，在Abaqus軟件中編寫了模擬復(fù)合材料防彈頭盔的用戶材料子程序VUMAT，建立了9 mm手槍彈撞擊佩戴防彈頭盔人體頭頸部靶標(biāo)的數(shù)值模型，得到了頭盔與頭頸部在手槍彈撞擊下的動力學(xué)響應(yīng)。所得結(jié)果可為頭頸部鈍擊傷的診斷救治和防彈頭盔的改進設(shè)計提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 有限元模型

采用三維掃描儀對某國產(chǎn)防彈頭盔進行掃描，獲取其頭盔殼和海綿墊幾何形態(tài)，進而在Hypermesh軟件中進行網(wǎng)格劃分(見圖1)。有限元模型全部使用8節(jié)點六面體線性減縮積分單元C3D8R。防彈頭盔被等效為7層復(fù)合編織層，并在每層復(fù)合編織層之間添加一層0厚度Cohesive單元來模擬層間力學(xué)性能。在以彈著點為中心、直徑30 mm的圓形區(qū)域?qū)W(wǎng)格進行加密，遠離該區(qū)域的網(wǎng)格則逐漸變疏，以確保精度的同時提高計算效率。

圖1 頭盔有限元模型Fig.1 Finite element model of the helmet

9 mm手槍彈由鉛芯和銅被甲組成，彈頭理論質(zhì)量8 g。手槍彈網(wǎng)格模型如圖2所示，其中鉛芯網(wǎng)格數(shù)為7 936個，銅被甲網(wǎng)格數(shù)為3 328個，網(wǎng)格類型均為C3D8R。

圖2 9 mm手槍彈有限元模型Fig.2 Finite element model of the 9 mm pistol bullet

以某中國男子(身高170 cm、體重65 kg、年齡35歲)尸體橫斷面切片數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在Mimics軟件中構(gòu)建該男子頭頸部三維模型，再采用Geomagic軟件對模型進行幾何表面清理，最后導(dǎo)入Hypermesh劃分有限元網(wǎng)格。劃分的人體頭頸部有限元模型如圖3所示。該模型由顱骨、面顱、大腦、小腦、腦干和頸椎等組成。頸椎由第一頸椎(寰椎)與顱底枕骨相連結(jié)。頸椎共7塊(～)，相鄰椎骨之間由椎間盤相連。

圖3 人體頭頸部有限元模型Fig.3 Finite element model of human head and neck

1.2 本構(gòu)模型和參數(shù)

本文采用的防彈頭盔由芳綸纖維增強復(fù)合材料制成。在VUMAT復(fù)合材料本構(gòu)模型中采用Hashin失效準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則考慮了編織復(fù)合材料經(jīng)向和緯向兩個方向的纖維強度，配合漸進退化的方法來表征該纖維增強復(fù)合材料的損傷演化。防彈頭盔材料參數(shù)如表1所示。

表1 PASGT防彈頭盔材料參數(shù)Table 1 Material parameters of the PASGT helmet

漸進退化模型中損傷變量具體表達式如下：

(1)

(2)

(3)

=1-(1-)(1-)

(4)

=

(5)

=

(6)

=

(7)

在計算出全局損傷變量、、和之后，代入材料剛度矩陣中，即可實現(xiàn)對材料相應(yīng)損傷模式下的剛度折減。

Cohesive單元采用分析過程中較為穩(wěn)定的雙線性本構(gòu)模型。單元損傷起始準(zhǔn)則采用考慮了混合模式載荷的二次正應(yīng)力準(zhǔn)則：

(8)

采用混合模式下的B-K準(zhǔn)則來模擬Cohesive單元損傷起始以后的損傷演化：

(9)

表2 內(nèi)聚力單元材料參數(shù)[26]Table 2 Material parameters of the cohesive element[26]

鉛芯和銅被甲選用Johnson-Cook模型；顱骨也選用Johnson-Cook模型。大腦選用黏超彈性本構(gòu)模型，相應(yīng)材料參數(shù)見表3和表4；其余組織器官選用線彈性模型，本文選取的材料參數(shù)均來源于已經(jīng)驗證過的模型。防彈頭盔海綿墊選用CRUSHABLE_FOAM模型，材料參數(shù)見表5。

表3 顱骨材料參數(shù)Table 3 Material parameters of skull

表4 大腦材料參數(shù)Table 4 Material parameters of brain

表5 組織器官和海綿墊材料參數(shù)Table 5 Material parameters of organ tissue and sponge pad

2 基于3D-DIC試驗的頭盔仿真模型驗證

頭盔殼彈著點處內(nèi)部鼓包的瞬態(tài)變形是造成顱腦損傷的主要原因。要獲得準(zhǔn)確的顱腦鈍擊損傷效應(yīng)，必須首先確保仿真得到的頭盔殼瞬態(tài)變形特征與試驗結(jié)果一致。崔廣宇開展了基于3D-DIC技術(shù)的9 mm手槍彈侵徹芳綸防彈頭盔試驗，獲得了頭盔殼內(nèi)部鼓包的變形形態(tài)、變形速度等特征量。3D-DIC是一種非接觸式光學(xué)測試技術(shù)，可以獲得被測物表面三維動態(tài)變形信息，從而為仿真模型校驗提供了更全面可靠的試驗數(shù)據(jù)。

本文建立了9 mm鉛芯手槍彈以343 m/s速度撞擊芳綸防彈頭盔頂部的有限元模型，采用1.2節(jié)的VUMAT本構(gòu)模型和參數(shù)開展了試驗過程的數(shù)值模擬。試驗和數(shù)值模擬得到的頭盔鼓包高度隨時間變化歷程如圖4所示。由圖4可見：3組試驗中的鼓包高度在0.9 ms附近分別達到最大值27.3 mm、28.1 mm和27.9 mm；瞬態(tài)最大鼓包高度平均值為27.8 mm，永久變形的平均高度為9.5 mm，瞬態(tài)變形為永久性變形的2.93倍。佩戴頭盔時，頭盔與頭部一般有10～20 mm的間隙，故與永久性變形相比，瞬態(tài)變形是造成腦損傷的主要原因。數(shù)值模型中的鼓包在1 ms附近達到最大值27.6 mm。從圖4中可以看出，數(shù)值模擬和試驗中的頭盔鼓包高度變化歷程吻合較好。

圖4 芳綸防彈頭盔內(nèi)表面變形試驗和仿真結(jié)果對比Fig.4 Comparison of experimental and simulation results concerning the internal surface deformation of kevlar bulletproof helmet

試驗和數(shù)值模擬中頭盔內(nèi)部鼓包形態(tài)變化歷程如表6所示。由表6可見：0.15 ms時，頭盔內(nèi)部開始發(fā)生明顯的變形，試驗和數(shù)值模擬的鼓包變形區(qū)域形狀相似，都是較為規(guī)則的圓形；0.6 ms時試驗和數(shù)值模擬的鼓包變形區(qū)域都發(fā)生了明顯的擴大，形狀也逐漸向橢圓形演化；0.9 ms時，試驗中頭盔內(nèi)部鼓包高度和變形區(qū)域面積都達到最大，變形高度超過4 mm的區(qū)域在豎直方向上的寬度為98.9 mm，而仿真結(jié)果為101.9 mm，與試驗較一致。

表6 防彈頭盔試驗與仿真驗證Table 6 Experimental and simulation results for the bulletproof helmet

3 頭頸部鈍擊效應(yīng)數(shù)值模擬

3.1 防彈頭盔變形

建立9 mm手槍彈以343 m/s速度撞擊戴防彈頭盔人體頭頸部靶標(biāo)數(shù)值模型。由于越南戰(zhàn)爭中受到頭頸部穿透性傷害的美軍士兵，入射物大多由正面射入，故選取彈著點位于盔殼前邊緣上部60 mm。手槍彈入靶方向與帽檐底部平面平行。手槍彈撞擊頭盔過程如圖5所示。

圖5 手槍彈侵徹頭盔過程Fig.5 Penetration of a pistol bullet into a helmet

從圖5中可以看到：0.025 ms時手槍彈開始接觸頭盔殼，0.05 ms時子彈頭部發(fā)生變形，盔殼內(nèi)部產(chǎn)生明顯鼓包；0.1 ms時手槍彈變?yōu)槟⒐綘?，盔殼?nèi)部的鼓包高度達到了7.49 mm，海綿墊也被顯著壓縮；0.3 ms頭盔內(nèi)部鼓包高度達到最大10.73 mm，海綿墊幾乎被壓扁，與蔡志華等手槍彈以386 m/s速度撞擊有12 mm厚度泡沫的防彈頭盔時15.3 mm的背面最大變形量基本一致；在0.3～0.7 ms內(nèi)，由于手槍彈入靶方向與頭盔彈著點處曲面法向存在較大夾角，已呈蘑菇狀的彈頭上部會繼續(xù)擠壓盔殼，使得位于彈著點上方的頭盔繼續(xù)變形擠壓海綿墊；0.7 ms時，彈著點下方的頭盔凹陷部分開始回彈，頭盔內(nèi)部出現(xiàn)分層，該現(xiàn)象是由層間的cohesive單元失效導(dǎo)致的；1 ms時頭盔凹陷區(qū)域幾乎全部回彈，海綿墊回彈則較慢，頭盔內(nèi)部的分層現(xiàn)象顯著。

3.2 顱骨鈍擊效應(yīng)

圖6為顱骨不同時刻等效應(yīng)力分布。從圖6中可以看到，應(yīng)力以彈著點正下方的額骨區(qū)域為中心向整個顱骨傳播。0.3 ms時彈著點處的額骨表面單元最大應(yīng)力達到46.97 MPa，并出現(xiàn)了單元失效。仿真結(jié)果表明在佩戴該防彈頭盔情況下，手槍彈的沖擊仍造成了顱骨的骨折。這一結(jié)果與Rafaels等開展的子彈侵徹戴防彈頭盔尸體頭部損傷實驗獲得的顱骨凹陷性骨折現(xiàn)象一致。該位置顱骨應(yīng)力值是趙輝等得出的粉碎性骨折閾值18.2 MPa的2.6倍，且接近Sarron等得出的50～100 MPa的骨斷裂壓力范圍下限。因此，該款頭盔的防護性能還有待提升，以確保佩戴人員的顱骨免受骨折風(fēng)險。額骨上的最大應(yīng)力在0.5 ms時降低到5.18 MPa，位于顱底與頸椎連接處枕骨大孔周圍的應(yīng)力達到最大14.79 MPa。0.8 ms之后頭盔變形區(qū)域開始回彈，顱骨上的應(yīng)力隨之減小至3 MPa左右。

圖6 顱骨不同時刻等效應(yīng)力分布Fig.6 Equivalent stress distribution of the skull at different times

圖7為對應(yīng)彈著點處的顱骨應(yīng)力- 時間曲線和頭盔內(nèi)表面變形曲線。從圖7中可以看到，顱骨上的應(yīng)力曲線存在2個明顯的波峰，第1個峰值達到了46.97 MPa，是由于頭盔內(nèi)表面變形到最大高度過程中擠壓顱骨導(dǎo)致的，第2個波峰則是由于鉛芯彈在變形過程中產(chǎn)生了“轉(zhuǎn)正效應(yīng)”，使得已呈蘑菇狀的彈頭繼續(xù)擠壓彈著點上部盔殼導(dǎo)致的。頭盔鼓包高度在0.3 ms達到最大值10.73 mm后一直呈緩慢下降趨勢，直到0.75 ms時鼓包高度又開始略微增大，隨后快速下降至約6 mm。這可能是由于芳綸纖維增強復(fù)合材料在高速沖擊下的彈性變形導(dǎo)致的。

圖7 顱骨應(yīng)力和頭盔變形量曲線Fig.7 Curve of skull stress and helmet deformation

3.3 腦組織鈍擊效應(yīng)

大腦半球有4個腦葉，分別是額葉、頂葉、顳葉和枕葉。大腦最前部是額葉，額葉又分為前額葉和后額葉。前額葉功能與認(rèn)知、情緒、疼痛和行為管理等相關(guān)。圖8中的大腦等效應(yīng)力云圖表明，在鈍擊過程中左右腦前額葉前部和后額葉頂部出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中(圖中紅色區(qū)域)，顳葉前部和大腦縱裂兩側(cè)也有5～10 kPa的應(yīng)力出現(xiàn)。由于有腦脊液的保護，大腦整體的應(yīng)力較小，但個別區(qū)域有瞬時高應(yīng)力。0.75 ms時前額葉的最大應(yīng)力達到3.59 MPa，瞬時的高應(yīng)力變化可能在一定概率上造成腦損傷。

圖8 大腦不同時刻等效應(yīng)力分布Fig.8 Equivalent stress distribution of the brain at different times

圖9為在對應(yīng)彈著點位置選取額骨內(nèi)腦脊液上一點獲得的顱內(nèi)壓力曲線。從圖9中可以看到，在1 ms時間段內(nèi)出現(xiàn)了3個壓力峰值并依次遞減，最大壓力為208.7 kPa，第一正相持續(xù)時間0.2 ms。Liu等將9 mm手槍彈以360 m/s速度撞擊有防護的豬頭和仿生豬頭，測得其顱內(nèi)壓力最大值的平均值分別為474 kPa和178 kPa，第一正相持續(xù)時間分別為0.238 ms和0.032 ms。本文數(shù)值計算結(jié)果與文獻[4]的結(jié)果基本一致。研究表明，顱內(nèi)壓力超過235 kPa將導(dǎo)致重度腦損傷，在173～235 kPa之間會出現(xiàn)中度腦損傷，而低于173 kPa則至多導(dǎo)致輕度傷。因此，戴防彈頭盔人體頭部在鈍擊作用下仍有可能因較高的顱內(nèi)壓力導(dǎo)致中、重度腦損傷，特點是以撞擊點對應(yīng)的顳葉、枕葉部位硬膜下出血、硬膜外出血和腦組織挫裂傷為主的“對沖傷”。

圖9 顱內(nèi)壓力曲線Fig.9 Curve of intracranial pressure

小腦位于顱后窩，前面隔第四腦室與腦干相鄰，在維持身體平衡上起重要作用。在頭部受沖擊時小腦會受到顱骨、大腦和腦干的碰撞與擠壓。不同時刻的小腦等效應(yīng)力如圖10所示，從中可見小腦所受應(yīng)力隨時間持續(xù)增大，在0.9 ms時小腦的最大應(yīng)力為633 kPa。該應(yīng)力值可能造成小腦損傷，使佩戴頭盔的士兵失去平衡。

圖10 小腦不同時刻等效應(yīng)力分布Fig.10 Equivalent stress distribution of the cerebellum at different times

腦干位于大腦下方，脊髓和間腦之間，是大腦、小腦與脊髓相互聯(lián)系的重要通路。不同時刻的腦干等效應(yīng)力如圖11所示。由圖11可見：由于腦干中部在枕骨大孔處與脊髓接續(xù)，在0.4 ms應(yīng)力傳至顱底處時，腦干中部也會產(chǎn)生較大的應(yīng)力；腦干中部的應(yīng)力逐漸上升，0.725 ms時最大應(yīng)力為1.20 MPa。腦干嚴(yán)重?fù)p傷會危及個體生命。

圖11 腦干不同時刻等效應(yīng)力分布Fig.11 Equivalent stress distribution of the brain stem at different times

在交通領(lǐng)域，通常認(rèn)為人體頭部損傷與加速度相關(guān)，并提出了HIC基于頭部質(zhì)心的平移加速度評估頭部損傷嚴(yán)重度。頭盔內(nèi)部鼓包的變形速度一般高于交通事故中頭部撞擊速度，其損傷主要是撞擊變形所致的應(yīng)力為主，加速度損傷次之。在鈍擊過程中，頭部瞬間的高加速度會使腦在慣性作用下做非線性加/減速運動，導(dǎo)致廣泛性白質(zhì)軸索損傷，即為彌漫性軸索損傷(DAI)。應(yīng)力沿腦的中軸向縱深發(fā)展，會直接形成胼胝體、腦干損傷。病變可分布于大腦半球、胼胝體、腦干和小腦，與腦挫裂傷并存或繼發(fā)腦水腫。DAI傷者在受傷當(dāng)時立即出現(xiàn)較長時間昏迷；嚴(yán)重者出現(xiàn)不可恢復(fù)性昏迷，甚至死亡。需要指出的是，雖然通過仿真分析獲得了大腦、小腦、腦干的應(yīng)力分布等鈍擊效應(yīng)特征量，但相關(guān)損傷效應(yīng)仍需通過試驗進一步驗證，以使對鈍擊損傷機理的闡述更加科學(xué)準(zhǔn)確。

3.4 頸椎鈍擊效應(yīng)

表7為頸椎不同時刻等效應(yīng)力分布。第一頸椎稱為寰椎，與顱底枕骨相連結(jié)。頭盔在受到槍彈撞擊時寰椎頂部會受到顱骨的碰撞，產(chǎn)生較大的應(yīng)力。從表7中可以看到：寰椎最先受力，0.3 ms時樞椎產(chǎn)生應(yīng)力；0.4～0.8 ms時間段內(nèi)，應(yīng)力通過椎間盤從上到下傳遞至，0.9 ms后整個頸椎內(nèi)都有應(yīng)力分布；0.45 ms時寰椎沿彈道方向的加速度達到74.13 m/s，高加速度會對頸部肌肉及神經(jīng)造成損傷。

表7 頸椎不同時刻等效應(yīng)力分布Table 7 Equivalent stress distribution of the cervical spine at different times

圖12的寰椎中軸表面上一點應(yīng)力曲線中：寰椎上的應(yīng)力從0.2 ms時開始增長；0.675 ms時寰椎上的最大應(yīng)力為332.9 MPa，可能會導(dǎo)致椎板骨折；隨后應(yīng)力逐漸減小，頸椎上的應(yīng)力隨時間增長，～的最大應(yīng)力在2～8 MPa之間。頸椎骨上有橫突孔和椎孔，0.9 ms以后～的橫突和椎板上都有應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力均在2 MPa以上，此時橫突孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)容易受到牽拉和擠壓。

椎間盤上的應(yīng)力隨時間增長，在椎間盤中心的髓核處有較大應(yīng)力，周圍應(yīng)力逐漸變小。圖12中～椎間盤髓核上一點應(yīng)力曲線中，髓核上的應(yīng)力從0.3 ms時開始增長；0.825 ms時～椎間盤的髓核處應(yīng)力最大，達到2.65 MPa，隨后下降至1 ms時的2.45 MPa；椎間盤上應(yīng)力波的持續(xù)時間至少在0.7 ms，在正常的壓縮外力下，椎間盤的抵抗力很強，但若應(yīng)力過大且持續(xù)時間較長，則可能會造成椎間盤損傷。

圖12 寰椎中軸表面上一點和C2～C3椎間盤髓核中心處一點應(yīng)力曲線Fig.12 Stress curves of a point on surface of the central axis of atlas and a point at the center of the nucleus pulposus of C2-C3 intervertebral disc

文獻[39]研究表明：手槍彈正面撞擊防彈頭盔時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在處，達到109.3 MPa。其余椎骨上的應(yīng)力在10 MPa左右；～椎間盤上應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為51.32 MPa。本文結(jié)果中最大應(yīng)力在處，最大應(yīng)力值約為文獻[39]結(jié)果的3倍，其余椎骨上的應(yīng)力在2～8 MPa之間，較文獻[39]結(jié)果稍小。本文椎間盤上的最大應(yīng)力也在～椎間盤處，其余椎間盤上的應(yīng)力均在2 MPa左右。二者結(jié)果的差異主要與手槍彈撞擊速度、頭盔動態(tài)響應(yīng)和采用的頭部模型有關(guān)?？紤]到生物力學(xué)結(jié)果的離散性，本文結(jié)果與文獻[39]結(jié)果仍能相互印證，為相關(guān)研究提供參考。

從應(yīng)力和加速度大小可以推斷，戴防彈頭盔人體頭頸部在鈍擊作用下會造成頸部產(chǎn)生瞬時高應(yīng)力和高加速度，有可能導(dǎo)致椎骨骨折和椎間盤突出，使頸部受到傷害。本文當(dāng)前僅仿真獲得了子彈撞擊能量傳導(dǎo)至頸部時造成的頸部鈍擊效應(yīng)，受限于計算資源，未對之后頭部在沖擊作用下的揮鞭運動進行模擬。需要指出的是，頭部揮鞭運動導(dǎo)致的頸部損傷相對于子彈初始撞擊應(yīng)力造成的損傷可能更為嚴(yán)重。此外，由于建立的頸部模型沒有添加肌肉和韌帶，無法獲得頸部肌肉對頭部鈍擊效應(yīng)的反饋特征。

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了包含典型頭頸部組織器官的高精度人體頭頸部生物力學(xué)模型，編寫了基于Hashin失效準(zhǔn)則和漸進退化模型的防彈頭盔材料本構(gòu)，并基于3D-DIC試驗結(jié)果驗證了本構(gòu)模型和材料參數(shù)的準(zhǔn)確性。隨后開展了9 mm手槍彈撞擊戴防彈頭盔人體頭頸部靶標(biāo)的數(shù)值模擬，分析了顱骨、腦組織和頸椎的鈍擊效應(yīng)。需要指出的是，受當(dāng)前科技發(fā)展限制，將人體最重要最復(fù)雜的器官——頭部及大腦，按無生命均質(zhì)材料，用一般固體力學(xué)的有限元方法模擬計算肯定與實際情況不完全一致，給出的應(yīng)力場和位移場只能為未來跨學(xué)科研究提供參考，仿真分析得到的應(yīng)力值及其損傷效應(yīng)尚有待進一步實驗驗證。從力學(xué)角度得出主要結(jié)論如下：

1)對比頭盔內(nèi)表面變形試驗和仿真結(jié)果可知：頭部的支撐作用使頭盔殼瞬態(tài)最大變形量明顯減?。豢鴼さ姆謱訐p傷和回彈現(xiàn)象都很顯著。

2)基于本文仿真分析可以得出以下推論：額骨表面的最大應(yīng)力達到46.97 MPa，能夠造成顱骨骨折；大腦的應(yīng)力相對較小，但顱內(nèi)壓力超過了173 kPa，能夠造成中度腦損傷；腦干與小腦受顱骨的碰撞和擠壓較多，產(chǎn)生的應(yīng)力較大。因此，BHBT主要表現(xiàn)為顱骨骨折和腦干、小腦等腦組織的損傷。

3)在手槍彈沖擊防彈頭盔的1 ms時間段內(nèi)，應(yīng)力迅速從顱底枕骨傳遞到整個頸椎。寰椎上有較高的瞬時峰值加速度，對頸部肌肉及神經(jīng)造成損傷；～處的最大應(yīng)力均超過2 MPa，椎骨發(fā)生骨折的可能性很大；～椎間盤最大應(yīng)力達到2.65 MPa，可能導(dǎo)致椎間盤突出。