基于空氣流場壓力分析的頭盔沖擊波防護效能研究*

張文超，王 舒，梁增友，覃 彬，盧海濤，陳新元，盧文杰

（1. 中北大學機電工程學院，山西 太原 030051；2. 中國兵器工業第208 研究所瞬態沖擊技術重點實驗室，北京 102202；3. 中國人民解放軍93320 部隊，黑龍江 齊齊哈爾 161000；4. 河南北方紅陽機電有限公司，河南 南陽 473000）

近年來國外戰爭及恐怖襲擊中，各種爆炸性武器尤其是簡易爆炸裝置（improvised explosive device,IED）的大量使用使得爆炸沖擊傷成為戰場環境中人員遭受的主要創傷，由于個人防護裝備（主要保護軀干）的更新和發展，沖擊傷最敏感的靶器官如肺、腸等的損傷及其所致死亡大大減少，但顱腦沖擊傷卻凸顯出來，成為現代戰爭特征性創傷[1]。爆炸沖擊波作用人體誘發的顱腦沖擊傷（blast-induced traumatic brain injury, BTBI）可導致人體記憶缺失、注意力不集中、情緒緊張等問題，還會導致睡眠障礙、疲勞、頭暈、易怒、頭痛和癲癇發作，嚴重影響士兵作戰能力，是伊拉克和阿富汗最常見的軍事傷害[2-3]。

目前不同種類戰斗頭盔如步兵頭盔、飛行員頭盔、坦克乘員頭盔、摩托兵頭盔等被用來保護顱腦免受傷害，但是現代戰斗頭盔的設計主要是用來避免鈍物或槍彈對頭部的直接打擊，防止可能對頭部造成的非貫穿性傷害等，它們對爆炸沖擊波的防護效果很大程度上是未知的[4]。學者們對頭盔的爆炸沖擊波防護能力已進行了一些研究，Zhang 等[5]利用驗證的頭部、頭盔有限元模型，對戴頭盔和不戴頭盔的情況下，頭部對爆炸載荷的響應進行了研究，模擬結果表明，先進戰斗頭盔可使頭部顱內壓減輕10%～35%，同時導致平均峰值腦應變和應變與應變率乘積降低30%。Nyein 等[6]對超壓為1 MPa 的沖擊波沖擊未戴頭盔、戴頭盔、戴頭盔和面罩的頭部這三種工況進行數值模擬研究，結果表明現有的先進作戰頭盔對爆炸沖擊波沒有顯著防護效果，但是也不會產生負面效果；頭盔和面罩結構組合能夠阻礙沖擊波直接傳遞到面部，使應力傳遞到顱內腔時出現衰減和延遲，降低了顱內應力，防護效果較好。Sarvghad-Moghaddam等[7]通過計算流體動力學模擬，研究了可壓縮空氣從不同方向接近頭盔結構時的湍流、超聲速流動，評估了不同入射超壓和頭盔間隙大小對腦后沖擊波壓力匯聚的影響。Tan 等[8]利用顱腦-頭盔仿真模型進行爆炸沖擊波作用頭部研究，得出爆炸沖擊波能夠通過顱骨傳播，造成較高的顱內壓，來自正面爆炸的壓力波可能會通過頭盔的側面進入頭盔間隙并對顱腦后方進行第二次沖擊。Li 等[9]通過試驗及數值模擬對頭盔的沖擊波防護機理進行了研究，研究結果表明沖擊波正面作用頭盔防護下頭部時，頭部顱頂區域超壓峰值減小，但顱后區域超壓峰值增大。康越等[10]對頭盔-頭模系統前部、前額部、頂部、后部、耳部以及眼部等重點區域的沖擊波超壓峰值和持續作用時間進行了對比分析，得出提高單兵頭面部防護裝備結構密閉性（如佩戴眼鏡、耳罩或者防護面罩），可有效阻止沖擊波進入頭盔-頭模系統內部，減弱疊加匯聚效應，提高單兵頭面部裝備防護性能。

基于以上可知，頭盔的沖擊波防護能力有一些結論得到了學者的統一認可，但是部分結論存在矛盾與沖突。國內相關研究起步較晚，沖擊波作用于佩戴頭盔的頭部時，空氣流場壓力分布及沖擊波傳播規律尚不明確，為降低士兵在戰場環境中因爆炸沖擊波致顱腦創傷概率，提高戰斗頭盔的沖擊波防護能力，亟需對戰斗頭盔的沖擊波防護效能進行研究。本文通過爆炸試驗與數值模擬方法相結合，對典型戰斗頭盔的沖擊波防護能力進行研究，結合試驗結果對數值模擬結果有效性進行驗證，同時采用數值模擬方法對沖擊波作用有無防護頭部后流場壓力演化規律進行描述，進一步通過數值仿真方法對襯墊結構對頭盔的沖擊波防護能力影響進行研究，以期對沖擊波防護裝備優化設計提供技術指導及數據支撐。

1 試驗介紹

1.1 試驗場地布置

爆炸環境下頭部模型周圍空氣壓力場測試試驗在室外環境下進行，爆炸源為50 g TNT 藥柱。進行了兩種工況的爆炸試驗，每種工況下，藥柱與頭部之間的距離是1 m。工況1 為無防護頭部模型（裸頭模），工況2 為配戴頭盔防護頭部模型（盔殼頭模），為防止傳感器引起的測量誤差，每組均設置對稱裸頭模型作為對照組。在頭模上安裝三個壓力傳感器（PCB M102/106B 系列），測量前額、顱頂和顱后的壓力。這些傳感器的前端與頭模表面重合。戰斗頭盔外殼厚度為6.5 mm，頭模具有典型的人體頭部外觀結構，由塑膠材料制成。試驗場地布置及頭部模型分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 試驗場地布置Fig. 1 Layout of test device

圖2 頭部替代模型Fig. 2 The dummy head models

1.2 試驗結果及分析

沖擊波作用于無防護頭部時，對前額部位直接進行沖擊，由于波阻抗不匹配，沖擊波在前額部位反射疊加產生較高的超壓峰值（277 kPa），隨后沖擊波繼續向前傳播并逐漸衰減，先后作用于顱頂（95 kPa）、顱后（52 kPa），顱后超壓峰值相比前額衰減81.3%（如圖3(a)所示）。沖擊波作用于頭盔防護下頭部時，由于頭盔的阻擋作用，沖擊波不能直接作用前額部位，前額部位超壓峰值（151 kPa）比無防護時低，隨后由于繞流作用沖擊波傳入頭-頭盔間隙先后作用于顱頂（64 kPa）、顱后（114 kPa）部位，顱后超壓相較前額衰減24.5%（如圖3(b)所示），顱后超壓大于顱頂超壓（增加50 kPa）。由于頭盔的存在，顱后超壓出現壓力增強現象。

圖3 實驗獲得的壓力-時間曲線Fig. 3 Experimental time histories of pressure

分別取不同工況下相同位置處的超壓峰值進行對比，由圖4 可知，頭盔防護下頭部前額、顱頂處超壓峰值較無防護時都降低，分別為無防護時的54.5%、67.3%。顱后空氣超壓出現增高，增加到無防護時的2.19 倍。測試結果說明頭盔防護可以有效減小沖擊波對頭部的直接沖擊，但是會對顱后沖擊波超壓起到增強作用，對顱后的沖擊波防護起到負面效果。下文將對頭盔防護下顱后沖擊波超壓增強現象結合數值模擬進行分析說明。

圖4 峰值超壓對比Fig. 4 Peak pressure contrast

2 數值模擬

2.1 有限元模型介紹

所建立的頭部有限元模型中，皮膚、顱骨幾何數據來源于陸軍軍醫大學可視人體切片數據集（CVH）[11]。基于皮膚、顱骨幾何模型，利用Geomagic 對幾何模型進行優化，利用Hypermesh 對幾何進行頭部有限元網格劃分。建立的頭部有限元模型包括皮膚、顱骨、面顱、腦脊液、腦組織等組織器官及硬腦膜、軟腦膜等膜結構，膜結構采用四邊形殼單元劃分，其余部分均采用6 面體實體單元，模型單元尺寸約3 mm，有限元模型如圖5 所示。

圖5 頭部有限元模型Fig. 5 Finite element model of head

爆炸空氣環境用邊長60 cm 的立方體區域表征，頭部放置空氣域中心，沖擊波與頭部模型發生作用部分進行網格加密，以保證耦合界面不出現壓力泄露，其他部分采用漸變網格，網格逐漸變大從而減少計算成本，空氣域中心區域單元尺寸4 mm，此時相應的計算結果收斂。

沖擊波作用頭部過程采用三維多物質ALE 流固耦合方法[12]來實現，流固耦合算法用于定義空氣和頭部之間的相互作用，此算法使空氣給頭部施加壓力載荷，而頭部則相當于空氣的邊界條件，用于約束空氣的運動。有限元模型中空氣單元采用Euler 網格描述，頭部單元采用Lagrangian 網格描述，利用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID 關鍵字進行罰耦合算法的定義，定義空氣網格邊界參考壓力為標準大氣壓101.325 kPa，這樣沖擊波負壓段壓力才會回升，與實際情況相符。

試驗使用的頭盔具有地面部隊人員佩戴軍用頭盔典型結構，其內部吊帶懸掛系統能夠避免頭部與盔殼直接接觸，對鈍器沖擊起到緩沖效果，頭盔實物圖如圖6 所示。

圖6 典型戰斗頭盔實物圖Fig. 6 Actual picture of typical combat helmet

沖擊波作用頭部屬于瞬態沖擊，可以忽略頭部懸掛在沖擊波作用時對頭部力的傳導，在建模過程中將內部吊帶去除，對頭盔幾何模型進行簡化。戰斗頭盔凱夫拉盔殼厚6.9 mm，泡沫襯墊厚1～3 cm，頭盔及泡沫襯墊數值模型如圖7。

圖7 頭盔、泡沫襯墊數值模型Fig. 7 Simulation model of helmet and foam pad

2.2 本構模型與材料參數

腦組織材料接近不可壓縮，是一種質地很軟的生物軟組織，其表現為不可壓縮性、非線性、各向異性及粘彈性，大量腦組織實驗證明腦組織的變形只取決于其剪切模量，本文腦組織采用粘彈性本構模型[13,14]（*MAT_VISCOELASTIC）對材料性能進行表征，其剪切彈性模量的計算公式為

式中：G0為短效剪切模量，G∞為長效剪切模量，β為衰減系數。

腦脊液采用彈性流體本構模型[15]（*MAT_ELASTIC_FLUID）表征。

頭部模型皮膚、顱骨、面顱、硬腦膜、軟腦膜均采用線彈性模型進行表征，參考文獻[16-20]，各組織結構材料參數如表1～3 所示。

表1 彈性模型材料參數Table 1 Material parameters of elastic model

頭盔盔殼材料使用復合材料模型*MAT_COMPOSITE_DAMAGE 進行表征。頭盔泡沫襯墊是一種聚氨酯硬泡沫，具有加載率敏感性的應力-應變行為，使用MAT_LOW_DENSITY_FOAM材料模型進行表征，其材料密度為6.1×10-2g/cm3，楊氏模量為8.4 MPa。參考文獻[5,13]，確定頭盔及泡沫襯墊具體材料參數。頭盔盔殼結構材料參數見表4，其中：ρ 為材料密度，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。泡沫襯墊應力-應變曲線如圖8 所示。

表2 黏彈性模型材料參數[13-14]Table 2 Material parameters of viscoelastic model

表3 彈性流體模型材料參數[15]Table 3 Material parameters of elastofluid model

表4 頭盔盔殼模型材料參數[5,13]Table 4 Material parameters of helmet model

圖8 硬泡沫應力-應變曲線Fig. 8 Hard foam stress-strain curve

2.3 爆炸沖擊波載荷和邊界條件

利用LS-DYNA 顯式動力分析軟件模擬了50 g TNT 距離頭部1 m 處爆炸時沖擊波與頭部相互作用過程。空氣參考壓力為標準大氣壓101.325 kPa，在歐拉域迎爆面設置壓力加載邊界，沖擊波從此邊界輸入。為了避免壓力波在歐拉域邊界反射對頭部產生不真實的二次沖擊，在歐拉域周圍設置非反射邊界[21]。

空氣沖擊波超壓在正壓段大致按指數規律衰減，一些經驗公式可以描述此衰減過程，其中Friedlander方程[8]較接近實際且又簡單易于計算：

式中：pS為入射超壓；t*為正壓作用時間。

沖擊波即將與頭部接觸時沖擊波超壓為106 kPa，正壓持續時間為690 μs。沖擊波輸入面及作用于頭部的載荷曲線如圖9。

圖9 頭部沖擊波載荷Fig. 9 Acting blast wave loads on the head

2.4 數值模擬沖擊波流場壓力分布有效性驗證

進行典型戰斗頭盔對爆炸沖擊波的防護效果模擬研究，需對沖擊波作用有無防護頭部后流場壓力分布進行驗證，首先利用LS-DYNA 顯式動力分析軟件對上文試驗工況進行數值模擬，試驗結果及仿真結果對比見圖10 和表5。

圖10 仿真與試驗超壓曲線對比Fig. 10 Comparison of simulation and experimental results

表5 觀測點超壓峰值及誤差Table 5 Overpressure peak and error at observation points

由圖10 和表5 可得，有無頭盔防護下頭部前額、顱頂、顱后觀測點仿真結果和試驗結果峰值壓力誤差較小，且壓力變化趨勢與試驗結果基本一致，說明數值仿真能較好反映爆炸沖擊波作用頭部后空氣壓力場分布情況。

2.5 數值模擬結果與分析

基于上述有限元模型及爆炸沖擊波加載，利用LS-DYNA 顯式動力分析軟件對爆炸沖擊波正面作用無防護、無襯墊頭盔防護、帶襯墊頭盔防護下頭部3 種工況進行數值模擬，在頭部前額、顱后、耳側、頂側選取6 個壓力采集點提取壓力時程曲線，結合沖擊波流場壓力云圖分析爆炸沖擊波與頭部相互作用過程，得出不同工況下沖擊波流場壓力變化規律，對泡沫襯墊對頭盔的沖擊波防護效果影響進行研究。

2.5.1 無頭盔防護空氣流場壓力分布

無頭盔防護時頭部周圍特征部位壓力采集點位置如圖11 所示，采集點超壓-時程曲線如圖12 所示，結合空氣流場壓力云圖對沖擊波作用頭部過程進行分析。

圖11 頭部周圍采樣點位置示意圖Fig. 11 Schematic diagram of sampling points around the head

圖12 采樣點超壓曲線Fig. 12 Pressure curves of sampling points

爆炸沖擊波正面作用無防護頭部時，空氣流場壓力演化過程如圖13 所示。t=400 μs 時沖擊波即將與頭部接觸，此時沖擊波峰值超壓為106 kPa；隨后沖擊波與頭部相互作用，由于波阻抗不匹配，沖擊波在空氣-皮膚介質界面反射疊加，超壓出現增強；t=430 μs 時，沖擊波作用于A點，超壓峰值達到164 kPa，為自由場相同位置（98 kPa）的1.67 倍；t=600 μs 時，由于頭部阻擋，沖擊波在頭部周圍除發生反射外還發生繞流作用向顱后傳播；由圖13 可以看出，在稀疏波作用下面部空氣受影響而改變了運動方向，形成圍繞頭部向顱后傳播的的高壓氣流，同時又和相鄰的入射波一起作用，變成繞流向顱后傳播。t=1000μs 時，繞流波會在顱后部位重新匯聚，匯聚作用的合成波區會出現峰值超壓增強，對頭部造成二次沖擊，但是相比于面部首次沖擊，二次沖擊超壓峰值（56 kPa）顯著降低。耳部凹面結構使得沖擊波反射疊加增強，出現更高的超壓，峰值超壓增大為150 kPa，為自由場相同位置（86 kPa）的1.7 倍。沖擊波對頭部作用順序為A（164 kPa）→B（116 kPa）→（E（150 kPa）與F（91 kPa））→C（39 kPa）→D（56 kPa）。

圖13 爆炸沖擊波壓力云圖Fig. 13 Pressure nephogram of blast wave

2.5.2 頭盔（無襯墊）防護下空氣流場壓力分布

頭盔（無襯墊）防護下頭部周圍特征部位壓力采集點位置如圖14 所示，采集點超壓-時程曲線如圖15所示，結合空氣流場壓力云圖對沖擊波作用頭盔防護下頭部過程進行分析。

圖14 頭部周圍采樣點位置示意圖Fig. 14 Schematic diagram of sampling points around the head

圖15 采樣點超壓曲線Fig. 15 Pressure curves of sampling points

爆炸沖擊波正面作用頭盔（無襯墊）防護下頭部時，空氣流場壓力演化過程如圖16 所示。t=400 μs 時沖擊波即將與頭部接觸，此時沖擊波峰值超壓為106 kPa 與上述工況一致。t=480 μs時沖擊波作用至A點，由于頭盔的存在避免了沖擊波對前額的直接沖擊，前額（A點）部位沖擊波超壓峰值為92 kPa，較無防護時（164 kPa）降低43.9%，同時作用時刻較無防護出現延遲。t=600 μs 時由于頭盔-頭部阻擋，沖擊波除發生反射透射外還圍繞頭盔-頭部發生繞流作用，沖擊波鋒面分為2 個部分，一部分在頭盔外圍繞頭部傳播，另一部分繞流進入頭-頭盔間隙進行傳播，同時頭盔的阻擋使得沖擊波在頭盔與顱頂間隙傳播滯后于頭盔外部，沖擊波繞流到顱后會從頭部后方向顱頂方向傳播，由前后不同方向傳入頭-頭盔間隙的高壓氣流會在顱后一處發生碰撞，碰撞區的壓力驟然升高，C點壓力（130 kPa）上升為無防護時（39 kPa）的3.3 倍。頭盔外部繞流波到達頭部后方會形成一個壓力較高的合成波區，合成的沖擊波繼續向后傳播。

圖16 爆炸沖擊波壓力云圖Fig. 16 Pressure nephogram of blast wave

由于頭盔的阻擋高壓氣流不能很快擴散，C點沖擊波正壓作用時間顯著增長（由560 μs 增加到740 μs）。此結構頭盔對耳部無正面遮擋，與無防護相比，耳部E點超壓變化（由150 kPa 變為151 kPa）較小，對側頂F位置超壓（由91 kPa 變為49 kPa）有衰減效果，但是會使正壓作用時間增長（由440 μs 變為970 μs）。頭盔防護下沖擊波對頭部的作用順序為A（92 kPa）→B（70 kPa）→E（151 kPa）→F（49 kPa）→D（85 kPa）→C（130 kPa）。由此解釋了試驗中頭盔對顱后沖擊波防護的負面效果形成機制。

2.5.3 頭盔（帶襯墊）防護下空氣流場壓力分布

頭盔（帶襯墊）防護下頭部周圍特征部位壓力采集點位置如圖17 所示，采集點超壓-時程曲線如圖18所示，結合空氣流場壓力云圖對沖擊波作用帶襯墊頭盔防護下頭部過程進行分析。

圖17 頭部周圍采樣點位置示意圖Fig. 17 Schematic diagram of sampling points around the head

圖18 特征部位采樣點超壓曲線Fig. 18 Pressure curves of sampling points

爆炸沖擊波正面作用頭盔（帶襯墊）防護下頭部時，空氣流場壓力演化過程如圖19 所示。由于沖擊波繞流作用即使有泡沫襯墊阻擋高壓氣流仍會進入頭-頭盔間隙，在間隙內形成沖擊波，t=480 μs 時沖擊波作用至A點，頭盔防護避免了沖擊波對前額的直接沖擊，相較無防護前額部位空氣超壓降低23 kPa （由164 kPa 變為141 kPa），但由于前額處襯墊阻擋沖擊波在襯墊-前額間隙反射疊加使壓力增強，故前額處空氣超壓較無襯墊時升高53.2%（由92 kPa 變為141 kPa）。與無襯墊頭盔防護時同理，沖擊波通過頭-頭盔間隙傳至顱后，在顱后（C點）位置仍會出現高壓氣流碰撞作用使得空氣超壓相對裸頭模升高1.4 倍（由56 kPa 變為81 kPa），但是襯墊對高壓氣流的傳播有阻擋作用，故相對于無襯墊頭盔防護時C點壓力減小37.6%（由130 kPa 變為81 kPa），同時側頂F位置空氣超壓也出現減小（由49 kPa 變為35 kPa）。由以上可知加入襯墊結構后顱后的壓力匯聚效應仍然存在，但是相同位置空氣超壓都出現一定程度減小。由于此結構頭盔對耳部無正面遮擋，E 點超壓在不同工況下基本一致。加襯墊頭盔防護下沖擊波對頭部的作用順序為A（141 kPa）→E（154 kPa）→B（51 kPa）→F（35 kPa）→D（86 kPa）→C（81 kPa）。

圖19 爆炸沖擊波壓力云圖Fig. 19 Pressure nephogram of blast wave

2.5.4 腦組織壓力分析

為了對頭盔防護效果有更清晰的認識，在腦組織額葉、頂葉、枕葉三個特征部位各取一個壓力觀測點，觀察腦組織壓力變化情況，觀測點位置如圖20。所使用頭部模型腦組織壓力響應在先前研究中已通過有效性驗證[22]。

圖20 壓力觀測點Fig. 20 Pressure observation points

提取每組工況下3 個觀測點壓力數據并進行分析，組織壓力變化曲線圖21～圖23 所示。

圖21 額葉觀測點壓力變化Fig. 21 Pressure curves of frontal lobe observation points

圖22 頂葉觀測點壓力變化Fig. 22 Pressure curves of parietal lobe observation points

圖23 枕葉觀測點壓力變化Fig. 23 Pressure curves of occipital lobe observation points

腦組織所受壓力過高時會出現腦出血造成嚴重腦損傷，過高的負瞬態壓力也可引起腦空化性損傷[23]，根據顱內壓耐受標準，當顱內壓峰值超過235 kPa 時，會發生嚴重腦損傷，低于173 kPa 時，會發生輕微損傷或不發生損傷[24-25]。由以上不同工況下腦組織壓力曲線可知，沖擊波作用頭部后，頭盔防護下（無襯墊）額葉、頂葉組織壓力峰值分別較無防護時降低59%、63.3%，枕葉組織壓力峰值較無防護升高10.8%。頭盔結構可以有效減小額葉及頂葉腦組織壓力使其降于損傷閾值以下，但在頭盔防護下，枕葉組織壓力峰值會升高，頭盔防護結構在顱后起到負面效果。有無襯墊頭盔防護下組織壓力峰值相差較小，但通過空氣流場壓力分布可知襯墊結構可使顱后空氣超壓降低，因此可以通過設計泡沫襯墊結構來減弱頭盔顱后沖擊波防護的負面效果，提高頭盔對爆炸沖擊波的防護能力。

3 結 論

通過試驗及數值模擬方法進行了頭盔防護顱腦沖擊傷效能研究，研究結果如下：

(1) 頭盔防護能避免前額部位直接受到沖擊波沖擊，使前額、顱頂部位空氣超壓峰值分別衰減為無防護時的54.5%、67.3%，但是會使顱后空氣超壓增強為無防護的2.19 倍；

(2) 頭盔的阻擋作用導致頭盔與頭頂間隙沖擊波傳播滯后于頭盔外部，沖擊波傳至頭部后方時會進行壓力匯聚，高壓氣流會在顱后頭盔間隙內發生碰撞，致使顱后沖擊波超壓峰值顯著升高，頭盔的阻擋使高壓流不能很快擴散，沖擊波正壓作用時間顯著增長；

(3) 頭盔防護下泡沫襯墊可使顱后沖擊波超壓減弱，消弱頭盔對顱后沖擊波防護的負面效果，使頭盔的沖擊波防護效能得到提升；沖擊波正面沖擊下耳廓結構會使沖擊波超壓放大，為自由場相同位置1.7 倍，耳是沖擊波作用重要靶器官。