底部爆炸沖擊下乘員脊柱的損傷行為和風險分析

摘要： 底部爆炸沖擊極易造成裝甲車輛乘載員脊柱損傷，為全面了解底部爆炸沖擊作用下的乘員脊柱各節段損傷行為和風險，通過基于高生物逼真度人體有限元模型的數值仿真模擬典型底部爆炸沖擊下乘員脊柱的動態響應過程，融合運動學、動力學和生物力學響應研究脊柱各節段潛在的損傷行為，并利用生物力學指標分析不同受載工況和防護座椅設計參數下乘員脊柱的損傷風險。結果表明：C4～T3 段脊柱后伸過展是棘突、橫突和椎間盤纖維環的主要致傷因素，T7～T12 段脊柱損傷主要受前屈過彎和軸向壓縮共同作用，腰椎軸向壓縮導致椎體前側和椎間盤髓核處高損傷風險；脊柱各節段損傷風險隨受載加速度峰值增大而提高，抗爆座椅防護下頸椎仍存在高骨折風險；減小座椅懸架剛度可降低乘員脊柱的損傷風險，但在0.6～1.2 kN·s/m 范圍內改變座椅懸架阻尼對乘員脊柱的損傷風險無明顯影響。

關鍵詞： 底部爆炸；脊柱損傷；人體模型；生物力學

中圖分類號： O383.1 國標學科代碼： 13035 文獻標志碼： A

地雷和簡易爆炸裝置（improvised explosive device， IED）是非對稱作戰時的主要反裝甲武器，其在裝甲車輛底爆炸時所釋放的巨大能量對車內人員造成嚴重威脅，底部爆炸（under-body blast，UBB）引起的沖擊過載易導致脊柱嚴重損傷[1-3]。因此，開展底部沖擊下的裝甲車乘員脊柱損傷和防護研究對于保障裝甲士兵生命安全和提升裝甲裝備戰力性能具有重要意義。

目前，采用尸體（ post-mortem human subjects， PMHS）的生物力學試驗、基于擬人化測試設備（anthropomorphic test device，ATD）及其數值模型的物理試驗和仿真以及應用人體數值模型的仿真分析是UBB 工況下裝甲車乘員損傷和防護研究的主要途徑。PMHS 生物力學試驗主要采用滑車、落錘和杠桿試驗臺對尸體脊柱節段或整人樣本進行沖擊加載來模擬UBB 沖擊損傷過程，通過測量尸體樣本動力學響應信號和解剖掃描試驗后樣本進行損傷機理和耐受度分析，現有的PMHS 試驗研究對下肢、盆骨和腰椎UBB 損傷行為形成了較全面認識[4-7]，整人層面的PMHS 試驗數據為ATD 和人體數值模型的有效性驗證提供了對標通道[8-9]。但受倫理和成本限制PMHS 試驗無法在國內開展，且PMHS 試驗受數據采集手段約束，難以洞察人體組織層面的生物力學動態響應。從而，國內研究者大都采用以假人為主要代表的ATD 開展試驗和仿真分析[10-11]。目前主流的ATD 為Hybrid-III 50 百分位假人及其有限元模型，其主要被用作測試工具來評價和改進車體設計、座椅設計和穿戴裝備設計等。ATD 假人兼具試驗和仿真研究的可行性和可對比性，為極端沖擊載荷下的人體損傷防護裝備研究提供了重要工具，但ATD 假人的機械式結構生物逼真度有限（如：剛性骨盆和胸椎），難以用于涉及人體損傷機理和生物力學的深入分析。近年來，隨著高生物逼真度人體數值模型在汽車碰撞安全研究領域的廣泛應用，部分研究者開始通過人體數值模型分析底部爆炸沖擊下的乘員響應[12-14]。GHBMC（global human body models consortium）50 百分位男性人體有限元模型首次通過UBB 模擬工況下的PMHS 動力學響應數據進行了生物逼真度驗證[12]，該模型還被應用于分析UBB 環境下的乘員骨盆響應和損傷風險[13]。此外，中國體征人體有限元模型（Chinese human body model，C-HBM）也在UBB 下肢和腰骶損傷及防護研究中得到應用[14-15]。雖然人生物力學體模型在UBB 乘員損傷研究方面已有一定應用，但現有研究少有關注人體整個脊柱的動態響應，仍有待進一步深入認識不同脊柱節段的響應特征和損傷行為。另外，當前抗爆座椅是乘員UBB 損傷防護的主要裝備[16-17]，可通過借助高生物逼真度人體數值模型的虛擬評價為抗暴座椅設計和優化提供科學指導。

因此，本研究以驗證THUMS（total human body model for safety）人體有限元模型在UBB 工況下的生物逼真度為基礎，首先通過基于THUMS 模型的數值仿真分析典型UBB 沖擊環境下的乘員脊柱運動學、動力學和生物力學響應特征，然后依此研究乘員脊柱各節段潛在損傷行為，最后利用人體有限元模型和生物力學指標分析不同受載工況和座椅防護設計參數下的乘員脊柱各節段損傷風險，以期為針對UBB 工況的裝甲車乘員脊柱損傷防護提供參考。

1 人體模型生物逼真度驗證

1.1 模型驗證加載仿真模型

采用具有高生物逼真度的整人有限元模型THUMS 模擬乘員在UBB 沖擊載荷下的響應，該模型由豐田公司建立并開源，擁有超200 萬個單元和詳細的解剖學結構，模型細節如圖1 所示。Iwamoto 等[18]和Kitagawa 等[19] 已針對汽車碰撞載荷下的PMHS 試驗數據對THUMS 模型進行了全面的生物逼真度驗證，該模型可準確模擬交通事故參與者的力學響應和損傷行為。但目前THUMS 模型尚未在UBB 工況下進行生物逼真度驗證，考慮UBB 載荷工況（頭盆向高速沖擊）與汽車碰撞存在明顯差異，本文中以模擬UBB 載荷下的PMHS 試驗數據[9] 為參考，驗證THUMS 模型的生物逼真度。Ott 等[9] 開展的PMHS 試驗采用垂直跌落試驗臺和波形發生器模擬UBB 工況，試驗測量了剛性座椅和地板上的加速度脈沖及PMHS 脊柱加速度信號。為還原PMHS 試驗場景，本文通過預模擬將THUMS模型的脊柱、手臂、下肢姿態調整至與試驗尸體接近，建立了與PMHS 姿態[9] 相似的THUMS 模型（圖2（a）），并分別在座椅和地板加載從試驗數據提取的加速度脈沖（圖2（b））。需要說明的是，由于整人PMHS 試驗中只采集了脊柱節段加速度信號，未采集脊柱的力和力矩響應，從而整人模型生物逼真度只能對比脊柱加速度響應驗證。此外，在THUMS 模型開發過程中針對多種載荷下的脊柱節段力學響應驗證結果表明，其脊柱節段模型可較好預測PMHS 力和力矩響應[19]，因此本研究未再重復脊柱節段驗證過程。

1.2 模型驗證結果

圖3 為驗證仿真中THUMS 模型輸出的第1（T1）、第5（T5）、第8（T8）和第12（T12）節胸椎加速度曲線與PMHS 試驗數據通道[9] 及試驗均值[9] 曲線對比，該數據通道由綜合不同PMHS 樣本響應繪制而成。從圖3 可以看出，雖然THUMS 模型響應存在仿真峰值偏高（相較于試驗均值）和部分數據偏離PMHS 通道的現象，但脊柱各節段加速度響應與PMHS 響應趨勢基本一致，模型響應幾乎位于PMHS 試驗通道內。該結果為人體模型驗證中的常見現象，大量研究表明整人級別的人體有限元模型驗證中無法做到其響應與尸體試驗完全高度一致[12， 15， 18]。同時考慮人體個體差異和PMHS 試驗樣本有限，認為THUMS 模型在UBB 沖擊載荷下表現出了較高生物逼真度，可用于后續研究模擬UBB 工況下的乘員響應過程。

2 乘員脊柱損傷行為分析

采用THUMS 人體模型和自行設計的某特種車輛座椅有限元模型，建立了典型UBB 工況下的乘員受載仿真模型，如圖4 所示。仿真模型中，參考典型UBB 沖擊加速度特征[20]，建立峰值為200g 和脈沖寬度為5 ms 的三角波加速度脈沖加載環境，加速度脈沖作用于座椅安裝地板，座椅緩沖吸能懸架參數設為剛度80 kN/m 和阻尼1.2 kN·s/m，仿真計算時間設為80 ms，定義人體和地板及座椅之間的接觸。需要說明的是，由于PMHS 試驗[9] 的主要目的是為機械假人開發提供驗證參考，通常設置為腰背曲度相對較小的僵直姿態；而特種車輛乘員在服役過程中需要進行機械性操作，且在車輛不平穩行駛環境下難以保持腰背挺直，其坐姿與THUMS 模型的原始姿態（腰背自然屈曲）更接近，因而本文中采用了THUMS 模型的原始姿態模擬UBB 工況下的特種車輛乘員損受載過程。以下基于該模型的仿真結果，從脊柱運動姿態（運動學）、截面載荷（動力學）和應力分布（生物力學）3 個方面展示乘員脊柱響應特征，并結合三者響應特征分析UBB 沖擊下的乘員脊柱損傷行為。

2.1 脊柱運動姿態

圖5 為乘員整體和骨骼在200g 的UBB 沖擊載荷作用下的運動響應過程，從圖中可以看出：乘員下肢向上抬升運動，使得膝關節前伸；軀干在慣性力作用下向下和向前運動，胸腰段脊柱產生明顯前屈；頭部向后翻轉旋動，頸椎明顯后伸。圖6 為脊柱在矢狀面的位姿形態隨時間變化過程（原點為第一節尾椎S1，X 軸的正方向表示向后，Z 軸的正方向表示向上），以T1 為參考的C1 運動軌跡主要表現為向下位移，由頸部脊椎后伸彎曲所致；以L1 為參考的T1 運動軌跡主要為向下和向前位移，由胸椎前屈彎曲和軸向壓縮所致；以骶骨S1 為參考的L1 運動軌跡先向前再向后，由骨盆轉動所致。

2.2 脊柱截面載荷

圖7 為UBB 載荷下通過乘員脊柱部分節段截面力和彎矩時間歷程曲線，圖8 為各脊柱節段截面力和彎矩峰值相對于L5 的比值。從圖7～8 可知，UBB 載荷沿脊柱自下而上傳遞，脊柱截面力峰值時刻從L5 到C1 依次順延，峰值總體上呈自下而上衰減的趨勢，但是胸椎T9～L5 段截面力維持較高平臺，頸椎C2～C3 段的截面力峰值明顯高于周邊節段；脊柱截面彎矩峰值時刻與節段位置無明顯相關性，T4 彎矩峰值時刻與L5 接近，C4 和C7 彎矩達到峰值后呈現平臺，L1～L4 段彎矩峰值較低，T7～T11 段彎矩峰值較高，C6～T2 段彎矩峰值高于上下游節段。

2.3 脊柱應力應變分布

圖9～10 分別為頸椎和胸腰椎椎體應力與椎間盤應變分布云圖，其中椎間盤應變云圖中展示的為矢狀面剖視圖，以方便看清椎間盤髓核部分應變情況。此外，由于C1 和C2 間無椎間盤，頸椎椎間盤應變云圖中未顯示C1 節段。仿真結果顯示：頸椎椎體應力主要集中在C4～C7 棘突，椎間盤應變則主要集中在C3～C4 椎間盤纖維環前側；胸腰椎椎體最大應力分布在L4～L5 和T7～T12 前側以及T1～T3 橫突，椎間盤應變則主要集中在腰椎椎間盤髓核和T1～T4 椎間盤纖維環前側；時間軸上，從腰椎至頸椎自下而上依次出椎體最大應力和椎間盤最大應變。從量級上來看，頸部椎體最大應力和椎間盤最大應變均高于胸腰椎。

將仿真中乘員模型脊柱應力應變分布（圖9～10）與運動姿態（圖5～6）和截面載荷（圖7～8）結合分析可以看出：脊柱生理彎曲是決定不同節段在UBB 載荷下運動和承載差異的主要原因，C4～T3 和T6～T12 段分別受頸部后伸和胸部前屈運動而彎矩承載明顯，T9～L5 段由于軀干向下壓縮而處于軸向承載狀態；頸椎后伸所產生的彎曲形變是造成C5～T2 段彎矩增大和C4～T3 段棘突/橫突應力集中的主要原因，即頸部過伸是UBB 載荷下乘員頸-胸過渡位置脊柱損傷的主要致傷機制；胸椎軸向壓縮和前屈產生的彎曲形變使得T7～T11 段同時擁有高截面力和彎矩，導致該段椎體前側應力集中，胸椎前屈過彎伴隨軸向壓縮是該節段主要致傷行為；對于腰椎而言，L4～L5 段出現明顯彎曲導致椎體前側應力集中，L1～L3 節段主要表現為軸向壓縮（圖8 高截面力）引起其椎間盤中心位置應變明顯，腰椎同時承載的軸向壓縮和前屈彎矩是其椎體和椎間盤的主要致傷因素。以上結合運動學、動力學和生物力學響應分析的脊柱損傷行為邏輯一致，共同反映了不同節段脊柱損傷機制差異。同時，Comstock 等[2] 和Schoenfeld 等[3]的戰場損傷流行病學研究指出C4～C7、T8～T12 及L1～L5 節段損傷高發，Somasundaram 等[20] 通過PMHS 實驗發現胸椎過度屈曲且T8～T12 段損傷機制為壓縮和彎曲載荷的共同作用，本文仿真結果映射的損傷行為與上述研究結論相似，因此結果具備可信度。

3 乘員脊柱損傷風險分析

為分析不同受載環境下的乘員脊柱損傷風險，此處基于圖4 所示模型，分別考慮不同的UBB 加速度峰值（100g～300g）和不同座椅懸架剛度（50～80 kN/m）及不同阻尼（0.6～1.2 kN·s/m）的緩沖吸能方式，建立如表1 所示的仿真矩陣。表1 中UBB峰值200g、座椅懸架剛度80 N/mm 和座椅懸架阻尼系數1.2 kN·s/m 為基礎模型（編號0），參數變化時每次僅變化其中一個參數設置仿真組，其他參數固定為基礎模型參數，如UBB 峰值變化時座椅懸架參數保持剛度80k N/m 和阻尼1.2 kN·s/m 不變。需要說明的是，由于本研究所設計的座椅需要同時滿足抗爆（安全性）和減振（舒適性）功能，阻尼取值相對較低。損傷風險分析中，采用脊柱不同節段的椎體峰值應力作為表征參量，量化分析上述3 個參數變化對脊柱損傷風險的影響。

不同受載工況下，乘員脊柱各節段應力峰值的對比如圖11 所示，從圖中可以看出：所有仿真中頸椎應力峰值基本都高于胸腰椎，腰椎應力峰值為三者中最低；脊柱各節段應力峰值隨UBB 峰值增大而增大，UBB 峰值對腰椎應力峰值影響的線性程度最高；根據Zimmermann 等[21] 提出的青年人群皮質骨壓縮和彎曲極限應力均值（161 MPa）推斷發現，在抗爆座椅防護下乘員頸椎存在高骨折風險，胸腰椎損傷風險較低，這一規律與Somasundaram 等[20] 通過PMHS 實驗得到的結論相似，即盆骨以下緩沖吸能可有效降低胸腰椎損傷風險，但對頸椎的防護能力較低。改變UBB 脈沖峰值和座椅懸架設計參數的仿真結果對比發現：UBB 加速度峰值對脊柱應力峰值影響最顯著，UBB 加速度峰值每增大50g 可平均增大脊柱最大應力約17 MPa；脊柱最大應力隨座椅懸架剛度的增大呈增大趨勢，座椅剛度從50 kN/m 增大到60 kN/m 時的影響最顯著；而由于懸架阻尼較低，在本研究所設區間內改變座椅懸架阻尼參數對乘員脊柱最大應力幾乎無影響。上述規律表明，通過車體吸能設計盡量減小傳入座椅的UBB 加速度是乘員防護的關鍵，基于當前座椅懸架吸能的抗爆措施或難以實現對頸椎的損傷防護，后續抗暴座椅優化設計應重點考慮頸椎防護。

4 結 論

通過對比文獻中的PMHS 試驗數據驗證了THUMS 人體有限元模型的生物逼真度，采用該模型研究了UBB 沖擊載荷下的乘員脊柱損傷行為和損傷風險，得到的主要結論如下。

（1） THUMS 模型能較好地模擬UBB 沖擊載荷下的PMHS 各脊柱節段加速度響應，可借助其高生物逼真度開展UBB 沖擊環境下的乘員脊柱損傷研究。

（2） UBB 沖擊載荷下乘員脊柱不同節段的運動響應存在明顯差異，頸椎和胸椎上段主要表現為后伸，胸椎中-下段響應為前屈伴隨軸向壓縮，腰椎主要為軸向壓縮。

（3） C4～T3 段脊柱后伸過展導致棘突、橫突和椎間盤纖維環損傷，T7～T12 段脊柱前屈過彎和軸向壓縮引起椎體前側損傷；腰椎段軸向壓縮導致椎體前側和椎間盤髓核處高損傷風險。

（4） 頸椎損傷脊柱各節段損傷風險隨受載加速度峰值增大而提高，抗暴座椅防護下胸腰椎損傷風險較低，但頸椎存在高骨折風險；減小座椅懸架剛度可降低乘員脊柱損傷風險，但在0.6～1.2 kN·s/m 范圍內改變阻尼參數對乘員脊柱損傷風險無明顯影響。

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（責任編輯 張凌云）

基金項目： 基礎加強計劃技術領域基金（2021-JCJQ-JJ-1309）；湖南省自然科學基金（2023JJ30246）