枪弹冲击防弹头盔致头部非贯穿性损伤的数值模拟研究

蔡志华, 包正, 王威, 毛征宇

(1.湖南科技大学 机电工程学院， 湖南 湘潭 411201；2.湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室， 湖南 长沙 410082)

枪弹冲击防弹头盔致头部非贯穿性损伤的数值模拟研究

蔡志华1,2, 包正1, 王威1, 毛征宇1

(1.湖南科技大学 机电工程学院， 湖南 湘潭 411201；2.湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室， 湖南 长沙 410082)

新型防弹头盔虽能对头部提供良好的保护，但也常引起颅骨骨折与脑损伤。防弹头盔在高速弹体冲击下引起的头部非贯穿性损伤的机理难以理解，目前还缺少相应的参数与测试方法对该类损伤进行有效评估。利用已建立及通过验证的人体头部生物力学模型与防弹头盔有限元模型, 并通过加载手枪弹以386 m/s的速度冲击防弹头盔的仿真研究，获得头盔非贯穿下人体头部的生物力学响应。仿真结果表明，头盔通过背面变形接触头部易引起颅骨骨折与高颅内压力。对比分析了有无衬垫泡沫及6 mm和12 mm泡沫内饰衬垫厚度对头部损伤的影响：有泡沫作用下的颅内压力峰值降低20.6%，头盔的背面变形量减少约10%；6 mm厚衬垫泡沫作用下颅骨出现骨折，12 mm厚衬垫泡沫作用下颅内压力峰值减少50%，头盔的背面变形减少10%.

兵器科学与技术； 防弹头盔； 头盔非贯穿性损伤； 颅骨骨折； 防护

0 引言

头盔非贯穿性损伤(BHBT)是高速高能子弹、爆炸碎片等冲击防弹头盔，在未穿透的情况下使头盔产生变形，头盔背面接触头部产生力或冲击波传递到头部使颅脑产生损伤的现象[1-2]。Rafaels等研究发现在2001～2012年度，美军从战争、反恐、维和过程中超过6 000例枪弹、破片伤亡案例的分析发现，伤者超过70%受伤时佩戴防弹装备，其中头部损伤占50%以上[3]。因此，理解防弹BHBT的致伤机理及加强对头部的防护是目前亟需解决的问题。

对于单兵装备非贯穿性损伤的研究，由于无法利用活人来进行实验，只能通过尸体头颅实验、动物实验、假人实验及数字仿真方法进行研究。尸体头颅是与活体最为相似的替代物，能够有效地研究组织的生物力学响应与致伤机理，但是新鲜完整的尸体标本来源有限，样本获取非常困难、成本高、可重复性差。动物实验模型可以一定程度地模拟生物组织在冲击下的响应，但动物与人体在解剖结构与组织响应上存在一定的差异。同时，人类尸体实验与动物实验一定程度地受伦理的限制。数字仿真方法可以一定程度地替代生物力学测试，研究颅骨、颅脑各个部位的损伤情况，但所采用的模型需通过相关实验验证。

Rafaels等[3]开展了枪弹冲击防弹头盔作用下头部的损伤尸体实验，研究了防弹头盔防护致颅骨骨折的损伤机理。Freitas等[4]利用外层颅骨加内层软组织替代脑组织对枪弹冲击防弹头盔的防护效果进行了研究。Sarron等[5]利用9 mm枪弹冲击防弹板对头部的损伤进行评估，结果显示防弹板距离头部越近，头部损伤越大,研究成果能指导头盔悬架系统设计与理解头部的损伤机理。Liu等[6]利用长白猪与物理模型对手枪弹冲击防弹头盔致颅脑损伤的特点进行研究。

Jazi等[7]建立了人体头部生物力学仿真模型，研究枪弹冲击防弹头盔作用下头部的生物力学响应，对不同冲击角度、不同冲击位置对头部的响应进行了参数分析。Pintar等[8]利用实验与仿真相结合的方法，研究了枪弹冲击防弹头盔作用下的颅骨与脑组织的响应，对头盔防护的致伤机理、头部接触力的大小、力的传递与头部的生物力学响应有了进一步的理解。Aar等[9]利用头部有限元模型对头盔刚度、不同的冲击角度等参数作用下头部的生物力学响应进行了仿真研究。Tham等[10]利用轻气炮进行了枪弹与碎片在不同速度下冲击防弹头盔(Kevlar)的实验与仿真研究，头盔产生的变形与损伤等实验与仿真结果吻合较好。Lee等[11]、Grujicic 等[12]研究了美军ACH防弹头盔在爆炸波作用下的头部损伤，结果表明新型防弹头盔在爆炸波作用下对头部的保护更好。Salimi 等[9]采用仿真分析研究了头盔衬垫材料对脑损伤的影响，不同的衬垫材料对头部的加速度、颅内压力、剪应力等有不同影响。

上述研究的主要目的是为了获得BHBT的致伤机理与对防弹头盔的防护性能进行有效的评价与优化。目前主要采用 V50方法评价头盔的防护性能，该方法为穿透概率50%时模拟破片、特定弹头的平均着靶速度，或利用头部仿真假人模型在特定速度下测量假人头部胶泥凹陷深度。上述方法主要是测试与评价头盔阻挡枪弹或杀伤破片侵彻的能力。而在准确评估非贯穿性损伤严重程度及其防护效果还存在较大不足。本文利用建立的人体头部模型与已验证的防弹头盔有限元模型进行仿真分析，获取头盔与头部在高速冲击下的响应，分析BHBT的致伤机理及形式、BHBT与防弹装备结构和性能的关系。仿真结果能较好地反映枪弹冲击防弹头盔作用下的头部生物力学响应。

1 材料与方法

1.1 ACH防弹头盔建模

首先对美军ACH防弹头盔(见图1(a))采用加拿大Creaform公司Handyscan700型三维便携式扫描仪器进行扫描，获取头盔的点云数据，保存成STL格式文件(见图1(b))。然后用Geomagic软件进行点云处理，完成曲面拟合。利用有限元前处理软件hypermesh 11.0生成几何实体然后对其进行网格划分，从而建立头盔有限元模型。模型使用8节点6面体单元建模，单元尺寸2 mm，头盔厚度约8 mm，共372 393个节点，329 216个单元(见图1(c))，7块泡沫模型尺寸根据扫描数据得到圆柱形泡沫直径与高度尺寸为150 mm×30 mm，矩形块泡沫长、宽、高尺寸为90 mm×55 mm×30 mm和90 mm×85 mm×30 mm，单元尺寸为3 mm(见图1(d))。手枪弹几何尺寸为直径9 mm，质量为8 g. 手枪弹有限元模型使用8节点6面体单元，其单元尺寸为2 mm，整个模型共含21 663个节点和19 965个单元(见图1(e))。对上述模型进行前处理与加载边界条件后在LS-DYNA材料库中进行计算。

图1 有限元模型Fig.1 Finite element model

1.2 枪弹与头盔材料本构与参数

手枪弹的材料为弹塑性材料，密度为8 110 kg/m3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，屈服应力为0.792 GPa，切线模量为21 GPa. 头盔的材料模型选用Kevlar材料，在LS-DYNA材料库中选用MAT_22 (MAT_COMPOSITE_DAMAGE)材料本构，材料参数[13-15]见表1. 表1中，ρ为密度，E11、E22、E33为各向弹性模量，ν12、ν13、ν32为各向泊松比，G12、G23、G13为各向剪切模量，S11、S22为压缩模量，Sc为剪切强度，Sn为压缩强度。采用Chang-Chang失效准则实现材料的纤维断裂、基体开裂和压缩破坏等[16-18]。

ACH防弹头盔衬垫是一种聚氨酯泡沫材料，材料本构与参数参考文献[18]。衬垫材料是一种硬泡沫，具有加载率敏感性的应力- 应变行为。

根据硬泡沫材料的属性在LS-DYNA材料库中选用MAT_57(MAT_LOW_DENSITY_FOAM)材料本构，其材料密度为6.1×10-8kg/mm3，杨氏模量为8.4 MPa，应力- 应变曲线如图2所示。

图2 硬泡沫应力- 应变曲线Fig.2 Hard foam stress-strain curve

表1 防弹头盔材料参数Tab.1 Material parameters of ballistic helmet

1.3 头部有限元模型建立

通过对一个35岁中等身材人体特征的成年男性志愿者(身高170 cm，质量65 kg)进行头部CT/MRI扫描，扫描层厚为0.6 mm，断层图片为560张，通过断层图片DICOM数据精确获取人体各组织的几何信息。利用医学建模软件Mimics 17.0导入图片获得点云数据，利用Geomagic软件对CT点云图像再进行处理，生成表面光滑的几何曲面模型，所建立的模型以IGES 格式存储。利用有限元前处理软件ANSYS-ICEM-CFD、HyperMesh等对上述生成的几何模型通过建立块与投影的原理进行网格划分，得到的颅脑有限元模型均采用6面体实体单元与4边形壳单元建模。颅脑模型主要由头皮、硬骨组织、脑组织与软组织4个部分组成：硬骨组织包括颅骨、面骨和下颌骨；软组织包括硬脑膜、脑脊液、软脑膜、大脑镰、小脑幕、胼胝体；脑组织包括大脑、小脑、脑干。最终构建的有限元模型具有详细的解剖学结构(见图3)，包括95 997个节点，120 818个单元，头部模型总质量为4.2 kg. 其中皮肤与颅骨之间的接触为面- 面接触，颅骨与脑组织采用滑动不分离tied自动面- 面接触，脑脊液材料特性及参数与水相近，采用近似流体的欧拉ALE算法模拟颅骨- 脑脊液- 脑之间的流体与固体耦合关系，其他组织在冲击作用下的变形采用自接触算法，整体模型采用共节点连接方式。

图3 头部有限元模型Fig.3 Finite element model of human head

1.4 头部本构模型与材料参数

研究表明，硬骨组织具有弹塑性材料特性，材料曲线在屈服点之前表现出弹性，屈服点之后硬骨组织即发生塑性变形，材料曲线达到极限应力时发生骨折，对应的应变为失效应变。因此，颅骨采用可模拟失效的弹塑性材料，在LS-DYNA材料库中选用MAT_3(MAT_PLASTIC_K- INEMATIC)材料本构。硬骨组织的材料参数参考已有文献[19](见表2)。在LS-DYNA软件计算过程中利用网格删除的现象模拟颅骨的骨折。参考上述材料参数当皮质骨的极限应力达到90 MPa，对应的应变达到2%；松质骨极限应力达到35 MPa，应变达到3%时即发生断裂，公式为

(1)

式中：σmax为极限应力；a为屈服应力；b为材料硬化模量；ε为极限应变；n、p为应变率参数。

脑组织是一种质地较软的生物软组织，其含水量较高(接近80%)，脑组织表现为不可压缩、非线性、各向异性及黏弹性。本文参考已有文献[20]中的脑组织定义材料属性为黏弹性，在LS-DNYA材料库中选用MAT_6(*MAT_VISCOELASTIC)材料本构。大量的脑组织实验证明，脑组织的变形只取决于其剪切模量，其剪切弹性模量的计算公式为

G(t)=G∞+(G0-G∞)e-βt,

(2)

式中：G0为短效剪切模量；G∞为长效剪切模量；β为衰减系数。其他材料采用LS-DYNA材料库中常用的弹性材料(*MAT_ELASTIC)，材料参数[20]如表3所示。

对于脑损伤的评价除了采用汽车安全中头部损伤指数值、加速度值进行评价外，研究者发现低速冲击载荷下当颅内压临界值大于277 kPa，高速冲击载

表2 硬骨组织材料Tab.2 Materials of bone tissues

表3 头部软组织材料参数Tab.3 Material parameters of soft tissues of huamn head

荷下颅内压临界值大于560 kPa，易造成脑挫伤与脑振荡[5,21]。

1.5 防弹头盔正面/侧面仿真验证

防弹头盔模型有效性验证参考Tan等[15]、Tham等[22]正面/侧面碰撞头盔原型弹道测试实验数据。实验采用轻气炮进行实验，弹头为质量11.9 g，直径14.2 mm的钢球弹头。防弹头盔被固定在一个钢性平台上。弹道测试以水平发射速度为205 m/s和220 m/s的钢球弹头对头盔进行正面和侧面冲击碰撞。通过测速仪测量钢球的速度，同时采用高速摄像仪捕捉枪弹冲击头盔的变形过程与枪弹的回弹，对比实验与仿真中的头盔背面变形量、损伤面积等参数，验证了头盔的有效性，验证结果参考文献[23]，如图4所示。

图4 防弹头盔正面与侧面仿真验证Fig.4 Simulation of front and side of ballistic helmets

1.6 枪弹冲击防弹头盔防护能力仿真

因泡沫材料较软，戴上防弹头盔以后，头部对初始的软泡沫会产生一定的压缩变形。为了模拟防弹头盔在真实环境下的响应，使头盔内饰衬垫泡沫在与头部的接触中更加贴合实际情况，仿真研究中利用Hypermesh软件对已建立的泡沫有限元模型进行预压处理，使衬垫泡沫被压后的厚度为6～12 mm之间，然后对防弹头盔、人体头部、泡沫进行装配。同时为了减小仿真计算时间，本文对头盔有限元模型网格进行十字形加密处理，头盔模型被冲击区域网格单元尺寸为1 mm. 实验中赋予弹头386 m/s的速度沿水平方向冲击头盔正面，同时对防弹头盔下左右两侧与后面3个位置上的节点的6个自由度约束。定义头盔与泡沫、泡沫与头皮的接触为面- 面接触。输出头盔的背面变形点A，输出颅脑内的压力单元B，如图5所示。

图5 枪弹冲击防弹头盔仿真Fig.5 Simulation of bullet impacting on helmet

2 仿真结果

2.1 高速冲击下头部模型仿真验证

本文所采用的头部生物力学模型为蔡志华等[24]前期建立并通过验证的人体模型中的一部分，通过了有效性验证。现模型在原头部模型的基础上进行了优化，包括颅骨、面骨、脑组织解剖结构的完善并使生物力学响应更接近实际情况，低速冲击载荷下的头部生物力响应与颅骨骨折损伤有效性已通过验证，结果参考文献[19]。

图6 头部动力学响应Fig.6 Dynamic response of human head

2.2 预压后12 mm间距下防弹头盔有无泡沫的头部动力学响应

为了研究ACH防弹头盔内饰衬垫泡沫在枪弹冲击下对头部的损伤与防护性能，参考上述仿真设定，进行了无泡沫和有泡沫两组实验。因冲击速度为386 m/s，头皮的厚度约为6 mm，综合考虑头盔的设计与头部产生的生物力学响应，仿真将头盔与头部模型之间的间距控制在12 mm，使头盔的背面变形刚好能接触到颅骨的外表面。对比分析枪弹386 m/s速度冲击防弹头盔的头部响应。图6(a)和图6(b)为两组仿真实验中颅骨应力云图，从中可看出：无泡沫条件下额骨的最大Von Mises应力值为40.24 MPa，松质骨出现单元失效，有骨折现象；有泡沫条件下的额骨最大Von Mises应力值为19.72 MPa，无骨折。图6(c)为无泡沫与有泡沫两组设置输出的颅脑冲击区域点B单元上颅内压力曲线，颅内压力最大值分别为3.15 MPa、2.50 MPa，远远超过了227 kPA的极限值，造成一定概率的脑损伤。图6(d)为二者头盔背面变形量，无泡沫防弹头盔背面输出点A的最大变形量为16.4 mm、有泡沫防弹头盔背面最大变形量为15.3 mm.

2.3 不同泡沫厚度对头部损伤的影响

为了分析不同泡沫厚度对头部的防护效果，首先对泡沫进行预压处理，泡沫材料、枪弹速度、头盔约束等其他仿真条件不变，分析了6 mm与12 mm泡沫间距下枪弹386 m/s速度冲击防弹头盔的头部生物力学响应。如图7(a)所示，6 mm泡沫下颅骨冲击处最大Von Mises应力达到81.09 MPa，松质骨大量失效，出现了骨折；如图7(b)所示，12 mm泡沫颅骨未出现骨折。图7(c)为6 mm、12 mm间距下枪弹386 m/s速度冲击防弹头盔的颅内压力- 时间曲线，6 mm、12 mm泡沫厚度颅脑冲击侧最大颅内压力值分别为5.0 MPa、2.5 MPa；图7(d)为6 mm、12 mm泡沫厚度下头盔背面变形曲线，从中可看出峰值变形量分别为16.0 mm、15.3 mm. 泡沫越厚，背面变形最小，颅内压力越小，脑损伤风险较低。但同样超过了227 kPa的极限值，造成一定概率的脑损伤。

图7 不同泡沫厚度的头部响应Fig.7 Head responses

3 结论

1)防弹头盔BTBH与防护性能的研究主要对象为头盔与内饰衬垫缓冲层的结构与材料，其中核心问题是能否提出减少基于真实人体头部损伤的防护结构与防护方法，而不是基于目前所用的假人头部、油泥或明胶等所测得的参数与方法。目前，V50方法能对头盔的防穿透性能进行较为准确地评价，但是，国际上还没有提出科学有效的头部非贯穿性损伤指数与标准对非贯穿性损伤进行有效评价。因此研究的重心与首要任务是先提出能有效评价非贯穿性损伤指数与标准，然后通过大量的实验、参数研究与优化方法来进一步指导头盔的设计。

2)本文通过建立人体头部生物力学模型，仿真模拟了头部在冲击下的生物力学响应，再现了枪弹冲击下的头部动力学响应与颅骨骨折及脑损伤。其中颅骨骨折通过应力、应变进行评价，脑损伤通过颅内压力进行评价。上述研究结果表明所建立的头部生物力学模型对不同载荷条件与不同参数下的头部动力学响应具有较好的敏感性，可为非贯穿性损伤的评价与后续头盔的优化设计提供参考。

3)研究表明，有效的人体头部模型能模拟与再现高速冲击下的头部动态响应，仿真研究发现BHBT主要产生颅骨骨折与高颅内压力现象。同时对比了相同头部与头盔间距下有无泡沫衬垫的颅骨应力应变、颅内压力、头盔背面变形量，有泡沫作用下的颅内压力峰值减少20.6%，头盔的背面变形量减少10%左右，因此运用头盔泡沫内饰衬垫物能吸收一定能量，抑制头盔背面变形与减少颅骨应力应变与颅内压力，从而减轻对头部造成的损伤。美军新型ACH防弹头盔采用无悬架的泡沫内饰衬垫，因此在一定程度上说明其防护性能优于早期美军单兵防弹头盔(PASGT)所采用的无泡沫悬架设计。

4)同时对比了相同载荷下6 mm、12 mm泡沫厚度的头部响应，6 mm泡沫作用下颅骨出现骨折，而12 mm泡沫作用下没有出现颅骨骨折现象。与6 mm泡沫作用相比，12 mm泡沫作用下颅内压力峰值减少50%，头盔的背面变形减少10%。因此，泡沫越厚，头部的损伤更少。因为目前国产防弹头盔其头部与头盔的间距约12～14 mm，而美军新型ACH防弹头盔泡沫的厚度约为30 mm，考虑到头盔配戴以后泡沫的初始变形，ACH防弹头盔依然间距较大，其防护性能较好，并且稳定性与舒服性较好。因此，为了提升国产单兵防弹头盔的防护性能，建议参考美军新型ACH防弹头盔的设计进行优化。

5)由于头盔保护下的头部非贯穿性损伤的评价非常困难，研究难度较大。其主要难点之一是采用何种参数对该类损伤进行评价，同时参数极限值大小的确定需要大量的实验研究反复验证。难点之二是如何开发有效的物理模型对这类损伤参数进行再现测试与评价，特别是脑组织替代物的选择及本文采用颅骨应力和应变、颅内压力的测试。由于目前在高速冲击载荷下的头部损伤的实验还未深入开展，要准确获得单兵非贯穿性损伤的损伤耐受极限，改进现有的评价标准还需后续大量工作。

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Simulation of Non-penetrating Damage of Head due toBullet Impact to Helmet

CAI Zhi-hua1,2, BAO Zheng1, WANG Wei1, MAO Zheng-yu1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201, Hunan, China; 2.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body,Hunan University, Changsha 410082, Hunan, China)

New ballistic helmet can provide good protection for human head. The head injury caused by ballistic impact has not been well understood. There is a lack of relevant test procedure to evaluate the efficiency of a ballistic helmet. The head model is validated against several impact tests on cadavers, and the helmet model is validated against data from shooting tests. The mechanical response of the helmet to the human head under non-penetration of helmet is obtained through the simulation of the ballistic helmet with 386 m/s impact speed of bullet. The simulated results show that the deformation of the back of helmet can lead to skull fracture and high intracranial pressure. The influences of helmets with and without foam pad, as well as foam pad thickness on the head injury are compared and analyzed. The results show that, by using the helmet with foam pad, the intracranial pressure of head wearing a helmet with foam poad is reduced by 20.6%, and the deformation of helmet with foam poad is reduced by 10%. The skull was still under high-risk of skull fracture with 6 mm foam pad. With 12 mm foam pad, the intracranial pressure is decreased by 50%, and the deformation of the back of helmet is decreased by 10%.

ordnance science and technology; ballistic helmets; behind armor ballistic trauma; skullfracture; protection

2016-11-17

博士后面上项目(2016M592421)； 国家自然科学基金项目(51405153)； 湖南省科技支撑计划重点项目(2015NK3031)； 湖南省重点研发计划项目(2016GK2077)； 湖南省教育厅重点项目(17A068)

蔡志华(1981—)，男，讲师，硕士生导师。E-mail:caizhihua003@163.com

TJ012.4

A

1000-1093(2017)06-1097-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.06.008