基于士兵腰腹部生理特征的防爆内裤结构优化*

2019-01-23

产业用纺织品 2018年11期

南通大学纺织服装学院，江苏南通 226000

讲究城市作战的21世纪，新式杀伤性武器不断涌现，且杀伤力和破坏力越来越大。高速、大面积且密集的爆破小碎片对人体致命部位的侵彻、瞬时空腔、压力波作用及爆炸效应，是导致士兵伤亡的首要原因[1]，它们也使得士兵下体受伤和腿部高位截肢的比例更高[2]。目前，士兵作战内裤缺乏针对性，不仅面料单一，而且形式结构无功能性，缺乏有效防护，严重影响着士兵安全。

本文从人体的内脏器官、骨骼和血管的分布出发，结合男性体器官的安全性和内裤的舒适性，对防爆内裤进行功能分区，优化结构与面料，以期提高防爆内裤的防护性能与穿着舒适性。

1 士兵腰腹部生理与体型特征

1.1 腰腹部生理与体型特征的测量

1.1.1 腰腹部生理特征

士兵腰腹部生理特征：腰节线在第2腰椎处；左右髂嵴点的水平线经过第4腰椎；腹主动脉在第4腰椎处结束，并分出左、右两支髂总动脉；髂总动脉在骶髂关节的前方结束，并分出髂外动脉和髂内动脉；髂外动脉在腹股沟韧带中点结束。人体腰椎间盘的厚度为0.80～1.00 cm，腰椎体的厚度为3.00～4.00 cm[3]。

如图1所示，解剖学将人体腹部分为三部九区。两侧肋弓下缘连线、两侧髂前上棘连线将腹部分为三部(上腹部、中腹部、下腹部)。再通过两侧腹股沟韧带中点向上作2条垂直线。4条线相交将腹部分为九区，分别为左右季肋区、腹上区、左右腹外侧区、脐区、左右腹股沟区、耻区[4]89-90。防爆内裤主要涉及腰节线及以下部位，因此本文的研究重点为中腹部和下腹部。

图1 腰腹部的标志线和分区

基于内脏器官及血管在腹部各区的分布，将中腹部和下腹部按照重要程度由高至低排序：脐区、耻区、左右腹外侧区、左右腹股沟区[4]89-90。其中，脐区与耻区是防爆内裤的关键防护区域。

1.1.2 腰腹部体型特征的测量及数据分析

本试验将医学影像与人体测量相结合。测量对象为年龄22～26岁、身高170.00～176.00 cm、体质量60～70 kg的30名成年男性。医学影像采用东软NeuViz 16 Pro多层螺旋CT数字成像，手工测量采用软尺、马丁测量仪等工具，共测量了腰围、臀围、腰高、会阴点高、髂嵴间宽等15项腰腹部体型特征指标。

利用SPSS软件对上述测量数据进行正态性检验、Pearson相关分析，并在此基础上进行主成分分析，得到初始特征值中前4个因子特征值大于1，累计贡献率达83.2%。因此，可认为这4个因子能够涵盖原始数据中的大部分信息。对这4个因子进一步分析，得到旋转后的因子负荷矩阵，通过各因子与变量间的相关程度及累计贡献率，提取出8个代表性体型特征指标。其中，腰围、臀围、大腿根围、腰高、会阴点高及直裆长是设计内裤结构的主要指标，胯宽是表现人体体态的指标，髂嵴间宽是决定人体防护区域大小的指标，它们对防爆内裤的结构优化有着至关重要的作用。表1为8个代表性体型特征指标的描述性统计量。

表1 代表性体型特征指标的描述性统计量

1.2 生理定位点的确定

骨盆位于躯干与自由下肢骨之间，主要起传导重力和支持、保护盆腔脏器的作用。因此，为更好地保护腹部、盆部内脏器官与血管，将左右髂嵴点设为关键生理定位点。如图2所示，ICR为右髂嵴点，ICL为左髂嵴点。

图2 生理定位点

因脐区与耻区是防爆内裤的关键防护区域，故将腹部2条垂直线所经过的腹股沟韧带中点作为关键生理定位点。如图2所示，髂外动脉末端在腹股沟韧带中点处，即EIAR为右髂外动脉末端，EIAL为左髂外动脉末端。

2 结构模型的建立

2.1 结构模型

基于士兵腰腹部生理与体型特征，提出了防爆内裤的结构模型，如图3所示。

图3 骨盆梯形及髂动脉三角形模型

依次连接点ICR、ICL、EIAR、EIAL，形成梯形ACDB。由于ICR与ICL、EIAR与EIAL分别关于腹中线对称，因此该梯形可看成等腰梯形，命名为骨盆梯形。

将人体血管近似看作直线，连接点EIAR、EIAL，则这条直线与两侧髂总动脉、髂外动脉可形成图3中的髂动脉三角形ECD。其中，ED、EC分别为左右髂总动脉与髂外动脉的长度和。

从人体医学影像可知，骨盆梯形与髂动脉三角形发生了重叠，髂动脉三角形的顶点E落在骨盆梯形的底边AB上。

2.2 模型的计算

在骨盆梯形中，根据人体测量数据，髂嵴间宽即骨盆梯形的底边AB的生理参数变化范围为24.00～36.00 cm，均值为30.43 cm。

在髂动脉三角形ECD中，根据余弦定理：

(1)

式中：θ为左、右髂总动脉的夹角。

从活体形态学可知：EC=EM+MC，ED=EN+ND，同时EM=5.00 cm，MC=11.30 cm，EN=4.00 cm，ND=10.50 cm，θ=60°～65°[5]。将这些数值代入式(1)可得CD=15.48～16.62 cm。

3 功能区域的划分与优化

3.1 功能区域的划分

3.1.1 定位线

众所周知，男性生殖器是男性生殖和繁衍后代的器官。失去生殖器的男性士兵大都存在严重的心理问题，更有甚者会丧失生活的勇气[6]。耻区分布有动脉血管。此外，人体大腿内侧也分布有极其重要的股动脉。若股动脉被切断，则人体全身血液将在大约3 min内全部流完[7]。因此，生殖器、股动脉与腹部都需要很好的防护。

图4 内裤定位线与功能区域

如图4所示，为保护脐区、耻区及生殖器，从裆底分别过定位点EIAR、EIAL向腰部作顺滑弧线，形成2条定位线。同时，为保护左右腹外侧区、左右腹股沟区及股动脉，从裤口内侧缝分别过定位点ICR、ICL向腰部作弧线，形成2条定位线；内裤的背面，以相同的方式作2条定位线。

3.1.2 功能区域划分

图4中，正面4条定位线将内裤正面分割成5个部分；背面2条定位线及后中缝将内裤背面分割成4个部分。基于腹部、生殖器、股动脉的重要程度，以及防爆内裤的防护功能，本文将这9个部分划分为3个等级：脐区、耻区与生殖器是防爆内裤的第1防护区域，为特级防护区(Z1区)；腹外侧区、腹股沟区及大腿内侧股动脉是第2防护区域，为加强防护区(Z2区)；剩余区域以大块的肌肉为主，如腹外斜肌、臀中肌、股四头肌等，为一般防护区(Z3区)。

3.2 功能区域的优化

3.2.1 结构优化

基于裤片结构：

(1)Z1区结构优化主要为髂动脉三角形中CD值的确定。已知CD=15.48～16.62 cm，考虑到此处需完全包覆住人体重要器官及血管，缝迹线分别左右外放0.50 cm。因此，CD的阈值范围为16.48～17.62 cm。

(2)Z2区结构优化主要为骨盆梯形中底边AB的优化。已知AB为30.43 cm。服装压力是人体与服装共同作用的结果，过度的服装压力会增加人体负荷，甚至引起骨骼变形[8]。因此，综合考虑人体与服装间的摩擦及服装扭曲变形对服装压力分布的影响[9]，对人体骨骼点进行避让，缝迹线左右各外放0.50 cm。另根据解剖学，人体腰节线在第2腰椎处，ICR、ICL点的水平连线经过第4腰椎处，腰椎间盘的厚度为0.80～1.00 cm，腰椎体的厚度为3.00～4.00 cm，因此腰节线应在ICR、ICL点上方7.60～10.00 cm处。

3.2.2 面料优化配置

为加强对人体不同区域的防护，共研制了2种织物：一种是100%的桑蚕丝平针织物，面密度44.0 g/m2，厚度0.23 mm；另一种是桑蚕丝/芳纶(50/50)双层针织物[10]，面密度45.5 g/m2，厚度0.38 mm，如图5所示，表层为芳纶(抗冲击层)，里层为桑蚕丝(舒适层)，外层和里层通过芳纶纱连接(缓冲层)，这种组合兼顾了芳纶的防护功能和桑蚕丝的服用功能，同时缓冲层中的芳纶纱可增加利器与织物间的摩擦，有效提高织物的防护性能[11]。