基于假人冲击响应评估抗冲地砖防护性能试验研究

第一作者黄建松男，博士，副研究员，1972年7月生

邮箱：hynar@163.com

基于假人冲击响应评估抗冲地砖防护性能试验研究

黄建松1，谌勇2，许述财3，吴静波4

(1. 海军医学研究所，上海200433； 2.上海交通大学，上海200240； 3. 清华大学，北京100084； 4. 海军装备研究院，北京100161)

摘要：由于水下爆炸在极短时间内产生的巨大冲击加速度会致舰船人员严重损伤、而新型抗冲击地砖通过橡胶材料可吸收冲击能量、降低舰员脚底部载荷，用双波冲击机模拟3种典型冲击强度，用国际标准假人作为试验载体，记录冲击过程中假人主要部位的冲击响应，并对试验结果进行分析、评估。结果表明，舰员抗冲击地砖具有较好的抗冲击防护作用，可衰减60%以上冲击载荷，能有效降低舰员冲击损伤程度。

关键词：抗冲击地砖； 舰船冲击伤；水下爆炸；假人

收稿日期：2013-12-16修改稿收到日期：2014-03-21

中图分类号:TB535.1文献标志码：A

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11102170)；四川省青年科技创新团队支持项目(12013TD0004)

Tests and evaluation for personnel anti-shock tiles based on dummy shock response

HUANGJian-song1,CHENYong2,XUShu-cai3,WUJing-bo4(1. Naval Medical Research Institute, Shanghai 200433, China； 2. Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China；3. Tsinghua University, Beijing 100084, China；4. Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)

Abstract:Underwater explosion can produce extremely high shock acceleration to cause severe human injuries. Under the vertical shock acceleration from bottom to upward, the crews standing on decks of a ship receive extreme high shock load, their calcaneuses and ankle joints may be injured heavily. The new developed anti-shock tiles can absorb shock energy and degrade shock load with their rubber material. Here, a new double-half sine wave shock machine was used to simulate 3 typical shock intensities, and a Hybrid Ⅲ dummy was used as a test body to replace a person, the shock responses of the main positions of the dummy were recorded with sensors inside the dummy. The test results showed that the tiles can attenuate shock load by 60% at least, they can reduce ship shock injury greatly.

Key words:anti-shock tile; ship shock injury; underwater explosion; dummy

众所周知，水雷或鱼雷等水中爆炸时会产生强烈冲击波，导致舰船发生剧烈的冲击加速度运动，不仅对舰船设备、武器系统造成破坏，且对舰员造成严重的冲击性损伤，称舰船冲击伤。通过人体骨骼压缩性能实验及典型海战伤研究表明[1-2]，人体下肢尤其跟骨、脚踝为最易发生冲击损伤部位。因此，加强人员的下肢抗冲击防护措施研究是提高舰员生命力及作战能力的重要保障。

舰员抗冲击地砖为采用橡胶弹性材料制成的多孔蜂窝状抗冲击结构防护垫单元构成的组合体。文献[3-5]分别通过地砖单元建模、多自由度立姿人体集中参数耦合等，从动态压缩行为分析、人体冲击响应理论计算等详细研究地砖的防护机理，即利用地砖超弹性大孔隙率蜂窝薄壁结构具有的独特应变平台期，在载荷作用初期提供一定支撑强度；当强度增大到一定条件时该结构迅速大应变瓦解、吸收冲击能量，从而达到缓冲目的。抗冲击地砖主要用于人员相对聚集、冲击强度较大场所。人员可在地砖上自由行走作业，通过地砖特有的防护能力将甲板传递到人脚底部的冲击载荷有效衰减，达到保护人体下肢避免或减轻冲击损伤目的。本文主要针对水下爆炸引起的舰船冲击运动环境，对研制的舰员抗冲击地砖防护效果进行冲击试验评估，以证明此种地砖良好的抗冲击防护效果，可起到降低舰船冲击伤的作用。

1材料与方法

1.1舰员抗冲击地砖

采用由多个RKZ-55型抗冲击地砖单元组合粘贴形成的防护垫,见图1。

图1　舰员抗冲击地砖示意图 Fig.1 Personnel anti-shock cushion

舰员抗冲击地砖为由橡胶弹性体制成的若干橡胶蜂窝薄壁柱状结构单元构成的组合体，薄壁结构间有少量间隙，保持每个结构单元独立变形。在冲击载荷作用下地砖的薄壁结构经历纯弹性压缩阶段后进入屈曲阶段，产生瞬态大变形而吸收冲击能量。此时结构变形逐渐稳定，承载力趋于稳定。在冲击动能完全转换为薄壁结构变形能后，橡胶的弹性使薄壁结构回弹而恢复初始状态，实现反复利用目的。

1.2国际标准假人

直接用真人进行冲击试验存在损伤风险，因此用广泛应用的Hybrid Ⅲ型国际标准假人进行冲击试验。第 50百分位男性假人，立姿身高178 cm，肩宽43 cm，坐高88.4 cm，胸围98.6 cm，腰围85.1 cm，体重77.7 kg。其质量、刚度、阻尼等与真人接近，利用假人体内的传感器及数据采集系统记录试验数据见图2。

图2　国际混3标准假人 Fig.2 HYBRID Ⅲ dummy

图3　双波冲击机及 假人冲击试验图 Fig.3 Double-wave shock machine and dummy shock test

1.3冲击试验系统

舰船冲击运动曲线为典型的双半正弦冲击波，具有加速度峰值极高、作用时间极短等特点。采用我国海军装备研究院与上海交通大学等联合研制的新型双波冲击机模拟水下爆炸产生的甲板冲击运动曲线，重复精度不大于10%，各项指标满足试验要求。

1.4冲击试验强度设定

据标准[6]中规定的舰员冲击损伤等级曲线，其中2.2 m/s为划分舰员冲击安全性的耐受限值。分别设定一种无损伤级与三种有损伤级的冲击试验强度，见表1。

表1　冲击试验强度设置

1.5冲击试验工况设置

假人模仿舰员穿制式作训鞋垂直站在冲击机台面上，用绳索将假人悬吊，避免在冲击过程中假人从冲击台面上跌落造成损伤，同时不能让绳索承受拉力。冲击机台面放置RKZ-55抗冲击地砖，考虑三种冲击强度，设置7次冲击试验工况，见表2。

表2　试验工况设置

2试验结果

冲击试验中据假人体内的传感器记录其左右大腿、左右小腿及左右脚底Z向力及冲击台面加速度等参数。冲击机台面输出的轻、中、重三种冲击加速度曲线，见图4。

图4　三种冲击加速度-时间曲线 Fig.4 Three shock acceleration-time curve

2.1轻度冲击

轻度冲击试验条件下，假人双脚穿作训鞋，分别在有、无抗冲击地砖时进行冲击试验。测量假人大腿、小腿及脚底部位冲击响应曲线、载荷峰值，见图5。

2.2中度冲击

在相同的中度冲击试验条件下，假人双脚穿作训鞋时，在有、无抗冲击地砖条件下进行冲击试验，分别测得假人大腿、小腿、脚底部位冲击响应曲线及载荷峰值，见图6、图7。

图5　轻度冲击强度下假人下肢响应曲线比较 Fig.5 Dummy shock response curve(low-level)

图6　假人下肢冲击响应峰值比较 Fig.6 Dummy shock response peak load (low-level)

2.3重度冲击

相同重度冲击试验条件下，假人双脚穿作训鞋时，在有、无抗冲击地砖条件下进行冲击试验，分别测得假人大腿、小腿及脚底部位的冲击响应曲线、载荷峰值，见图8~图10。

图7　中度冲击强度下假人下肢响应曲线比较 Fig.7 Dummy shock response curve(middle-level)

图8　中度冲击时假人下肢冲击响应峰值比较 Fig.8 Dummy shock response peak load (middle-level)

3讨论

目前评估水下非接触爆炸时舰船人员冲击安全性依据为“水面舰艇冲击对人体作用安全限值”[6]。该标准以舰船甲板作用于人体的冲击输入环境参数为评价指标，如平均加速度、冲击速度及持续时间。由于目前基于国际标准假人冲击响应评价舰船人员安全性方法尚未形成标准。本文拟采用两种方法进行评估。

3.1假人冲击响应衰减率比较法

据三种冲击工况所测假人下肢(脚底、小腿、大腿)部位的冲击响应载荷峰值大小作为舰员抗冲击地砖防护性能的判定依据，见表3。

表3　三种预定冲击损伤级别下假人冲击响应

图9　重度冲击强度下假人下肢响应曲线比较 Fig.9 Dummy shock response curve (high-level)

图10　重度冲击时假人下肢冲击响应峰值比较 Fig.10 Dummy shock response peak load (high-level)

据表3数据，设将无损伤条件的假人冲击试验所得脚底、小腿、大腿受力载荷分别作为评价人体的安全限值，则定义假人耐受值为脚部2 014 N，小腿3 577 N，大腿3 070 N。若低于该值，则认为相应部位无损伤，否则为有损伤。

(1)轻度冲击时，在抗冲击地砖作用下，假人的冲击响应分别为脚底712 N、小腿1 866 N、大腿1 733 N，均小于假人安全限值，说明此时人体不会损伤。若与相同冲击条件下无抗冲击地砖相比，脚底、小腿及大腿的响应衰减率分别为72%、59%、60%。表明轻度冲击时该地砖缓冲作用良好。

(2)中度冲击时，在抗冲击地砖作用下，假人的冲击响应为脚底750 N、小腿2 645 N、大腿3 054 N，均小于假人安全限值，说明此时人体不会受损伤。与相同冲击条件下的无抗冲击地砖时相比，脚底、小腿及大腿的响应衰减率分别为87%、68%、59%。表明中度冲击时该地砖缓冲作用较好。

(3)重度冲击时，经抗冲击地砖缓冲后，假人冲击响应为脚底1 072 N、小腿3 851 N、大腿3 791 N，小腿、大腿响应超过安全限值，说明此时小腿、大腿可能受到损伤；但该数值分别小于轻度冲击条件下无抗冲击地砖作用的假人部位响应，说明此时人体可能受到轻度损伤。相同冲击强度条件下，地砖的缓冲率为脚底81%、小腿62%、大腿62%。表明重度冲击条件下抗冲击地砖也有良好的缓冲作用。

因此，用无损伤冲击条件下冲击响应数据作为评价基准时，认为抗冲击地砖具有良好的缓冲作用。低于中度冲击强度时，可确保人体处于无损伤状态；冲击强度达重度时，可将人员损伤程度从重度降低到轻度。

3.2小腿轴向压缩载荷判定法

考虑人体对冲击耐受能力受身高、体重、年龄、性别、体态等因素影响，在制定人体对冲击耐受限值时，通常基于两个重要损伤生物力学参数，即损伤程度、损伤概率。通常将发生AIS 2级(中度)损伤风险最大概率不超过10%的原则定义人体冲击耐受水平[7]，即AIS<2级的损伤(轻度损伤)为安全的。Yoganandan等[8]通过大量尸体标本的冲击压缩试验研究，提出将胫骨下端轴向压缩载荷峰值作为评价人体下肢的耐受限值，并规定耐受水平5400 N时对应发生AIS 2+的概率最大不超过10%。据此标准，对抗冲击地砖的防护性能进行评价，见表4。由表4看出，与胫骨的冲击耐受限值5 400 N相比，无抗冲击地砖时，假人在中度、重度强度条件下可能发生损伤，而假人站在抗冲击地砖上时，在轻、中、重度三种冲击条件下人体均安全。

表4　胫骨轴向受力作为性能评价结果

4结论

(1)在轻、中、重三种冲击强度条件下，基于受试假人的下肢冲击响应载荷数据，与无地砖相比，抗冲击地砖的力衰减率均达60%以上。以无损伤级假人冲击响应为评价基准时，经抗冲击地砖的缓冲可将轻、中度冲击损伤降到无损伤，将重度损伤降到轻度损伤；以胫骨压缩轴向载荷作为下肢损伤判定标准时，在三种强度冲击条件下，抗冲击地砖均可确保人员处于安全状态。二种评定方法中，前者属于衰减率相对比较法，其精度取决于无损伤冲击工况的设置条件，可相对确定人体损伤程度；后者属于胫骨绝对值比较法，其精度取决于胫骨耐受值选取，只能判定是否损伤，而不能确定损伤的具体程度。二种评估方法所得结果基本一致。而抗冲击地砖冲击防护作用较好。

(2)研究表明，抗冲击地砖及抗冲击鞋[9]等装备均可起有效缓冲作用。可据装备采购成本、铺设条件及人员流动性等因素，将抗冲击地砖铺设在人员较集中舱室；对其它流动性、分散性岗位，舰员可穿抗冲击鞋。本文的试验研究及评价方法，可为舰员抗冲击地砖研制、设计及评估提供重要指导，为相关领域(如地雷爆炸引起的车辆垂向冲击)人体下肢抗冲击防护装具研究提供参考。抗冲击地砖等防护装备对保障水下爆炸所致舰员生命安全、提高人员抗冲击水平、作业能力等均具有重要应用价值及推广前景。

参考文献

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LE Xiu-hong, KE Wen-qi,YANG Jun, et al. Characteristics of injuries of bones of human lower extremities caused by vertical compression[J]. Chinese Journal of Sports Medicine,1987,6(1):4-7.

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HUANG Jian-song, WANG Yu, LI Zheng-nian, et al. Tests and evaluation on shipboard personnel anti-shockshoes[J]. Chinese Journal of Biomedical Engineering，2012,31(3):466-470.