氣囊囊壓對作訓褲膝部防護性能的影響研究

施曉晴 謝依漫 趙浩男 蘇軍強

摘要： 針對軍事訓練傷中因與地面接觸、摩擦造成的膝部軟組織挫傷等損傷，氣囊可以作為防護材料與作訓褲結合設計，然而氣囊囊壓與其緩沖性能并不是簡單的線性關系。本文以嵌入式作訓褲為載體，以膝部氣囊的防護性能為研究對象，選擇了低姿匍匐和臥倒等動作，基于FSR薄膜壓力傳感器進行壓力測試以獲得膝部受到的壓力。再利用仿真軟件ABAQUS，將壓力測試中的峰值力施加在氣囊表面，探討了不同氣壓下的氣囊形變效果，并對不同動作下的氣囊囊壓和最小外力功進行了單因素方差分析。結果表明，氣囊作為該嵌入式作訓褲的膝部防護材料，隨著氣囊囊壓的上升，緩沖吸能效果顯著提高，當氣囊囊壓達到50 kPa防護效果最佳。

關鍵詞： 氣囊;作訓褲;ABAQUS;防護性能;作訓動作;仿真模擬

中圖分類號： TS941.17

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2023）07-0055

作者簡介：

施曉晴（1999），女，碩士研究生，研究方向為服裝智能制造。通信作者：蘇軍強，副教授，jqsu@jiangnan.edu.cn。

軍事訓練損傷（Military Training Injuries，MTI）是因軍事訓練活動造成的運動系統或組織器官損傷。據研究調查，中國軍隊軍事訓練損傷的發生率在15%～18.7%，其損傷類型主要包括骨關節和軟組織損傷，分布的主要身體部位是下肢、上肢、軀干與頭頸［1］。體能訓練和戰術訓練中存在著大量的下肢運動，如匍匐、武裝越野、臥倒等，除去因骨骼和肌肉過度勞損導致的應力性損傷，很多動作都存在著大量的接觸、摩擦地面訓練，反復的摩擦容易對下肢部位造成損傷，可能導致肌腱和韌帶受損及關節活動障礙［2］。王磊等［3］通過對1 015例士兵的訓練傷進行研究，發現大部分士兵均有膝關節損傷;Muller等［4］基于基礎軍事訓練損傷對774個受試者進行數據分析，同樣得到下肢中主要包括膝關節扭傷、急性骨折等損傷。因此，膝關節防護更應該注重防護，必要時需要穿戴護膝等裝備，提高膝關節的穩定性。

氣囊是一種通過囊內空氣或者其他介質實現緩沖作用的防護性材料，其最初應用在汽車的安全防護系統，后因氣囊有很好的安全防護和緩沖吸能的作用，逐漸被應用在功能性服裝領域中。杜子文等［5］基于氣囊的緩沖作用，研究設計了保護工人高空墜落的智能氣囊防護服。張文龍等［6］同樣運用安全氣囊的防護原理，對老人跌倒防護氣囊進行了研究設計。

充氣壓力作為影響氣囊緩沖性能的重要因素，其與緩沖效果之間并不是簡單的線性關系。溫金鵬等［7］在氣囊減緩沖擊的研究中，表明適當增加氣囊初始壓力可以有效增加緩沖能力，但是當氣囊初始壓力超過極限壓力，則會使緩沖性能降低。因此，氣囊作為防護材料與服裝結合時，需要考慮到氣囊的囊內壓力對氣囊防護效果的影響。目前對于氣囊的防護性研究主要有兩種方法，一種是采用仿真軟件，模擬氣囊的受力形變情況和能量變化，如張全學等［8］建立氣囊與髖骨的有限元模型，通過虛擬仿真的方式來探究某型氣囊的緩沖作用。另一種則是采用實驗法，如楊威等［9］在研究氣囊囊壓對跌倒防護氣囊的緩沖性能時，提出一種等效模型，建立跌落測試平臺來進行實驗。

本文以作訓褲為載體，進行了膝部氣囊式防護墊設計，以降低作訓動作中膝部受到的軟組織挫傷等傷害。同時，為確定防護性最佳的氣囊囊壓范圍，本文探究了氣囊囊內壓力與膝部緩沖效果之間的影響關系。針對代表性的作訓動作，采用薄膜壓力測試儀器進行壓力峰值測試，結合仿真軟件，量化囊壓與緩沖效果的關聯性，為膝部氣囊式防護墊的設計提供參考依據。

1 實 驗

1.1 嵌入式作訓褲

作訓環境是實戰化訓練的載體，在單兵防護系統的發展中應該做到精準防護。目前作訓服通常是在膝部、肘部等關節中利用內補丁的方式為護墊的裝配預留空間［10］，但是這種方式在實際應用中護墊難以拆卸，無法實現隨意加裝護墊。雖然可以通過粘貼式和捆綁式的方法加裝護墊，但是這種在穿脫時需要耗費一定時間，且攜帶不方便。因此本文在作訓褲的設計中，采用嵌入式的方式將氣囊防護材料與作訓褲的防護部位相結合，在膝蓋防護部位以插袋的形式來容納氣囊防護材料，如圖1所示。當需要防護的時候，將氣囊直接放入插袋中，通過魔術貼將插袋上開口密封，利用綁帶固定氣囊并防止氣囊移位，同時可以調整膝部防護部位的松緊程度。

根據上述設計制作作訓樣褲，嵌入式作訓樣褲實物如圖2所示。作訓時，可以直接將氣囊防護材料置入作訓褲的膝蓋部位，與傳統的捆綁式防護墊設計相比，具有結構穩定、易于拆卸的優勢。

1.2 膝部氣囊

膝部關節主要包括髕骨、半月板等，其中髕骨是膝部的核心關節［11］，它與股骨相連，集中并傳導股四頭肌不同方向的牽引力，在膝部關節的保護中起到了重要作用。作訓時膝部的髕骨處可能會受到高強度壓力及摩擦，比起膝部其他部位更需要有效的減震防撞，同時髕骨的運動范圍較大，需要對髕骨部位進行一定的固定作用［12］。

故將氣囊的中間設計為圓形腔體，對應著膝部的髕骨部位，當氣囊充氣后，圓形腔體膨脹壓迫膝部，限制髕骨的運動范圍，以達到保護髕骨的目的。其他部位為若干個長方形腔體，當氣囊充氣膨脹后，以便貼合膝部從而達到防護效果。膝部氣囊平面和實物如圖3所示。

1.3 作訓動作選擇

匍匐前進和臥倒均屬于單兵戰術訓練的基礎動作科目。匍匐前進依據遮蔽物的高度分為低姿匍匐、側身匍匐和高姿匍匐，是利用較低遮蔽物或者通過較短地段時采用的前進方法。匍匐前進利用手臂和腿部的攀爬力量，在軀體貼近地面時也能使身體整體前進運動，蹬地時除了手臂肌肉和肘關節的支撐作用，股內側肌、膝蓋內側、小腿三頭肌等下肢部位都產生了較大的支撐反作用力［13］。臥倒是當發生爆炸時對減少爆炸傷害的有效動作，在與地面接觸前，身體需要前傾重心前移，同時左手向前伸出，并迅速按照手、肘、膝的順序側臥。在作訓過程中，匍匐前行和臥倒都需要膝部與地面發生碰撞摩擦，且長時間肢體與地面或障礙物直接接觸，容易發生軟組織挫傷。因此在作訓中，需要在作訓褲上設置防護部位以保護膝部。故本文針對作訓褲中膝部設計的氣囊防護材料，選擇匍匐前進（包括低姿匍匐、側身匍匐和高姿匍匐）和臥倒作為所測試的作訓動作進行防護性實驗。

2 基于薄膜壓力傳感器的壓力測試

2.1 實驗儀器與原理

FSR電阻式薄膜壓力傳感器可以靈敏地捕捉到動態力，且因為是柔性材料，可以彎曲折疊，能夠適用于復雜表面。Wiener等［14］利用壓電薄膜傳感器進行防護部位的跌倒性能測試，但是由于受到作用力產生的電荷信號較微弱，此類傳感器更加偏向于定性分析壓力的變化趨勢或者相對大小。考慮到測量的精度問題，需要將采集的電阻值轉化為電壓值［15］，調節輸出的模擬電壓值范圍以增益靈敏度。本文通過線性電壓轉換模塊和ARDUINO例程將電阻值轉化為壓力值，利用單片機控制板讀取并在串口軟件上獲取相應的力值信息。整套測試儀器如圖4所示，包括FSR電阻式薄膜壓力傳感器、壓力轉換模塊、單片機控制板，其中薄膜壓力傳感器的型號為IMS-S40A，面積為40 mm×40 mm，靈敏度范圍為0.5～30.0 kg。

2.2 實驗設計

選取8名經常鍛煉的受試者，年齡（23±1）歲，身高（163±3） cm，體重（57±6） kg，BMI在19.9～22.8 kg/m2，均在正常的體脂范圍內。所有受試者近期內下肢無損傷史，且均在學習匍匐前行和臥倒動作后進行實驗。

考慮到預設的氣囊囊壓變化區間較大，受試者需要多次重復作訓動作，時間較長，可能會使受試者產生一定的疲勞度從而影響測試結果，因此該實驗僅測試無氣囊狀態下防護部位受到的壓力大小。

8名受試者測試前先做好熱身準備工作。因為匍匐前進是周期性運動，以及臥倒動作為左肢支撐，轉體伏地時右膝與地面碰撞，故將柔性薄膜壓力傳感器貼在受試者的右膝部位置。根據作訓動作膝部受力情況的不同，選擇不同的測試部位，每個受試者每個動作分別測試3次，通過單片機控制板與電腦中的串口軟件相連得到壓力數據，具體流程如圖5所示。

2.3 測量結果與分析

2.3.1 重復性檢驗

組內相關系數（ICC）是一種重復測量檢驗，可以用來評價受試者對測量結果的一致性或者可重復性。為了檢驗上述實驗獲得的數據能否測量同一特質，故對所獲得的每組數據進行ICC分析。當ICC值小于0.4表示信度較差，0.4～0.75表明信度一般，大于0.75表示信度良好。三組匍匐前行的ICC相關系數分析結果如表1所示，ICC值分別為0.788、0.761、0861、0.795。可以看出所測數據一致性較好，具有可重復性。

2.3.2 低姿匍匐

低姿匍匐為周期性動作，對低姿匍匐的運動過程進行觀察，蹬地動作主要是通過膝部內側與地面之間的反作用力來完成，主要的受力部位為膝部內側。可以將低姿匍匐分為兩個個階段，即蹬地階段（T1）與屈腿階段（T2），如圖6所示。整個過程膝部內側所測壓力呈先增大后減小的趨勢，T1階段所測壓力明顯增大，此階段右腿膝部內側逐漸受力以完成蹬地前行。T2階段壓力慢慢減小，因為在該階段過程中，右側膝部在完成蹬地后開始屈腿，左臂前伸同時左腿開始發力蹬地使肢體前移，此時右側膝部與地面之間的作用力減小。峰值點上的力為蹬地瞬間膝部內側與地面之間的作用力，取其峰值的平均值為94.2 N。

2.3.3 側身匍匐

側身匍匐幾乎是靠著左臂和右肢的力量匍匐前進，身體左側與右肢與地面接觸，左臂向前傾斜以支撐上體，左腿彎曲右腿著地。一個周期過程所測壓力呈現先增大后減小的趨勢，可以將側身匍匐主要分為兩個階段，如圖7所示。T1階段身以左小臂的支撐力、左手的扒力和右腳跟的蹬力使身體前移，此階段主要是膝部內側與地面開始發生作用力，故膝部所受壓力在不斷增大。T2階段為左大臂向前傾斜伸出，右腳跟靠近臀部著地。膝部所受壓力在不斷減小。側身匍匐過程中的峰值力為右腿前移時膝部受到的作用力，取壓力峰值的平均值為137.9 N。

2.3.4 高姿匍匐

高姿匍匐為肘部和膝部同時支撐身體，依次前移左肘和右膝，交替前移。可將整個過程分為右膝蹬地階段（T1）和抬腿階段（T2），如圖8所示。T1階段時，右側膝部開始與地面摩擦，與地面之間的作用力逐漸增大。T2階段左肘支撐右膝上抬，左膝開始與地面作用使肢體前移，故此階段右膝所測壓力逐漸減小，理應減小到0，但是膝蓋彎曲時與薄膜壓力傳感器產生微弱作用，導致仍有壓力記錄。取壓力峰值的平均值為177.7 N。

2.3.5 臥 倒

臥倒動作的過程為左腳先向前邁進一步，上肢前傾，按左膝、左肘、左小臂的順序著地，然后轉體，此時右膝與地面發生碰撞，全身伏地。當轉體伏地時，右膝會受到地面的碰撞，此時膝蓋與地面產生沖擊力。由于該沖擊力為瞬時沖擊力，故此時所測壓力即為該動作下的峰值壓力，記錄受試者的受力情況，取其峰值的平均值為232.4 N。

3 不同囊壓下的緩沖仿真分析

若是以實驗的方法，將上述所測的峰值力直接撞擊氣囊，考慮到難以掌控撞擊力的力度大小，且涉及的作訓動作較多，預設的氣囊囊壓范圍較大，探究不同囊壓的氣囊緩沖效果較難，故采用仿真分析的方法。在仿真軟件ABAQUS中模擬不同氣囊壓力下的氣囊，將峰值力作為施加在氣囊表面的載荷力，對氣囊緩沖過程中的受力形變等進行研究分析。

3.1 防護部位的氣囊建模

以膝部中的防護氣囊為研究對象，建立有限元模型，并利用Hypermesh軟件對該模型劃分網格，最后再導入軟件ABAQUS中完成氣囊的材料參數設置。該氣囊模型尺寸與實際設計尺寸一致，為283 mm×243 mm，包括若干個長方形腔體和中間的圓形腔體，每個腔體的尺寸為237 mm×25 mm，圓形腔體的半徑為35 mm，膝部氣囊的有限元網格模型如圖9所示。

3.2 仿真結果分析

3.2.1 氣囊仿真形變效果

利用ABAQUS的Fluid cavity功能模擬氣體行為［16］，不考慮氣體溫度變化的影響，采用理想氣體方程來描述氣體的體積與壓力關系進行模擬分析。根據作訓動作分為4組仿真實驗，將4個動作中所測得的峰值壓力作為外部載荷力，施加在不同初始囊壓的氣囊表面上。在不同的氣囊囊壓下進行仿

真測試，具體情況如表2所示。

本文以低姿匍匐為例進行氣囊仿真形變效果的分析。圖10為基于低姿匍匐的峰值載荷力，氣囊在不同囊壓下的緩沖形變效果與應力云圖。氣囊形變是氣囊體積和外界載荷力的共同結果，載荷力一定時，隨著氣囊囊壓增加，氣囊表面受到的應力在逐漸增大。同時氣囊受外力彎曲變化逐漸減小，這是因為氣囊的緩沖性能隨著氣囊囊壓的增加而提升。

從圖10可以看出，囊內壓力增加，由于氣囊的緩沖作用及氣囊體積在不斷地增加，氣囊彎曲形變程度在逐漸變小。在囊內氣壓達到20 kPa前，氣囊的形變彎曲程度在明顯減小，這說明氣囊對作用力的防護效果顯著增加。30～60 kPa，氣囊彎曲程度沒有較大區別，這是因為此時氣囊囊壓的增加，雖然對氣囊緩沖性能有影響，但是這個區間的氣囊囊壓的緩沖效果區別不夠明顯，或者由于氣壓增大氣囊體積增加，故不如前20 kPa的彎曲形變效果明顯。

3.2.2 氣囊體積變化

圖11是在4個作訓動作下，不同氣囊囊壓的氣囊體積（Fluid Cavity Volume，CVOL）變化曲線。分析可知，氣囊體積總體上呈現上升趨勢，這是因為氣囊在不斷充氣膨脹。從時間角度來看，氣囊體積曲線在前面的時間段上升較為波折，到達一定時間后曲線開始平穩。分析認為這是因為波折時間段氣囊氣壓尚小，氣囊的緩沖作用對壓力吸收效果不佳，當到達一定時間后，氣囊開始對壓力的緩沖吸能明顯提高，此時作用力對氣囊體積影響較小，氣囊體積開始平穩增加直到穩定。從不同氣囊體積角度來看，5～10 kPa與20～60 kPa的氣囊體積曲線相比，前者曲線更加波動且波折時間段較長，分析認為這是因為前者的囊壓范圍與后者相比，緩沖作用較差。

4 不同囊壓的氣囊緩沖性能比較分析

4.1 氣囊模型外力做功

圖12為外部載荷做功（External Work，ALLWK）變化曲線。外部載荷的主要是指來自外界對結構產生影響的約束力

與外力，這里的外力做功主要是來自氣囊表面上施加的載荷做功。結合能量公式（1）（2）［16］與圖12可以看出，模型的能量可以分為外力功輸入部分及輸出部分，輸出部分包括流體腔能量、模型內能、動能等。

從時間上看，曲線呈幅值波動狀。這主要是因為該模型采用動力顯示分析方法，非靜止平衡狀態下，物理量隨時間變化會有波動。結合式（1）（2）分析，在氣囊不同囊壓下，外力做功有先增加后減小的趨勢。這是因為氣囊表面所受到的壓力不斷增加，導致外力做功也隨著不斷增加，但是隨著氣囊膨脹對外力緩沖吸能作用的加強，外部載荷能量開始減少，逐漸轉化為內能、動能、摩擦耗損能等能量。因此，此階段的外力功在逐漸減小。曲線的波谷點即氣囊模型的最小外力功，此時的緩沖性能達到最佳。

4.2 不同動作下氣囊囊壓的防護效果分析

綜上分析可知，當氣囊模型達到最小外力功時緩沖性能最佳，故記錄氣囊囊壓的最小外力功，并對作訓動作、氣囊充氣壓力和最小外力功進行數據分析。各個作訓動作下，不同

囊壓對應的最小外力功如圖13所示。由圖13可以看出，控制氣囊囊壓這一變量，由于作訓動作不同，隨著峰值力的增加，最小外力功在不斷增加;控制作訓動作這一變量，最小外力功隨著氣囊囊壓的增加基本在逐漸減少，40～60 kPa相差不大，甚至當60 kPa時最小外力功略有上升，分析認為這是與該氣囊的極限充氣壓力有關。

圖13 各個作訓動作下不同囊壓的最小外力功

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

將作訓動作、氣囊囊壓作為自變量，最小外力功作為因變量，采取單因素方差分析和事后多重比較的方法來判斷氣囊囊壓和作訓動作是否對最小外力功有顯著性差異。表3為主體間效應的檢驗，用來判斷對因變量是否有顯著影響。表4為SNK檢驗后的結果，即對氣囊囊壓之間進行兩兩比較，以判斷氣囊充氣壓力與最小外力功的具體關系。從表3可以看出，作訓動作和氣囊囊壓的Sig.值均小于0.05，說明作訓動作和氣囊囊壓均對因變量最小外力功主效應顯著;偏η2越大，說明效應量越大，可以看出氣囊囊壓比作訓動作對因變量的主效應更明顯。由表4中關于氣囊囊壓的SNK法比較結果可知，氣囊囊壓水平可以分為三類：囊壓在5 kPa時，緩沖性能較差;囊壓在10 kPa時，緩沖性能一般;囊壓在20～60 kPa，緩沖性能較好。其中當氣囊囊壓為50 kPa時，最小外力功均值最低，此時緩沖吸能作用最好。

5 結 論

本文基于4種作訓動作，探討了氣囊囊壓對作訓褲中膝部氣囊防護效果的影響。針對不同作訓動作下膝部受到的作用力，采用薄膜壓力傳感器對不同動作過程進行壓力測試。同時利用仿真分析的方法，模擬不同囊壓的氣囊在壓力峰值作用下的緩沖吸能效果。比較氣囊模型的最小外力功和相應的氣囊囊壓，并進行數據分析，可得到以下結論。

1） 無論哪種作訓動作，氣囊囊壓與最小外力功顯著相關，且隨著氣囊囊壓上升，最小外力功逐漸變小，說明氣囊的緩沖吸能效果在逐漸提高。但是當氣囊囊壓到達一定值之后，最小外力功有所增加，表明其緩沖性能隨著氣囊囊壓的增加呈現先增加后減小的趨勢。

2） 通過多重檢驗的方法對氣囊囊壓之間進行比較。根據緩沖吸能性能的差異，可以將氣囊囊壓分為三類。分析可知，最小外力功在囊壓為50 kPa時達到最低值，故當氣囊囊壓設置為50 kPa時緩沖效果最佳。

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