基于爆炸冲击波的头盔防护性能
时间：2023-11-03 13:10:02 来源：小苹果范文网 本文已影响 人 
伍杨， 覃彬， 王舒， 熊漫漫， 安硕， 卢海涛， 张先锋
(1.南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京 210094；
2.中国兵器工业第208研究所 瞬态冲击技术重点实验室， 北京 102202)
爆炸冲击波致脑损伤是近年国外战争和局部冲突中士兵罹患的一种较为多发的创伤。尤其是爆炸越来越成为现代战场的主要伤害来源，越来越多的士兵遭受冲击波性脑损伤，从而引发严重的后遗症。虽然以高强纤维复合材料为代表的轻型防弹装备广泛应用有效降低了枪弹破片对士兵的伤害，但防弹装备并不能完全避免或大幅度减轻爆炸冲击波对人体的伤害。美军在伊拉克和阿富汗战争中投入了数十万军队，经常遭遇近距离炸弹袭击，在伤亡案例中爆炸冲击伤已占总伤亡比例的66%～72%，其中由爆炸冲击波造成的创伤性脑损伤占伤亡的60%。除了爆炸冲击波，一些长期接触大口径火炮的作战人员也显露出脑损伤相关的病症，火炮发射的炮口冲击波也是导致创伤性脑损伤(TBI)的重要因素，需要在平时训练中注重防护与损伤防治。在一系列靶场人员健康调查中也发现，长期从事射击训练及测试的射手曾出现脑损伤相关症状表现的概率近乎100%，在听力、精神反应等方面退化趋势较常人更为明显。因此在士兵日常训练中，也需要更加注意对操作人员的保护。
针对爆炸冲击波颅脑防护，学者们做了大量研究工作。研究发现，爆炸冲击波超压可在极短的时间内作用于头部，从而引起颅内高压，甚至器官损伤。国外方面，Li等开展了远场爆炸冲击波作用下的头盔防护机制研究，分析了有无头盔保护的头部模型超压分布，结果表明，在正面冲击波作用过程中，带有头盔的头部模型顶部区域超压峰值减小，但在后部区域增加。通过数值模拟分析，头部模型后部区域超压的增强主要是由于冲击波的叠加汇聚。Rodriguez等通过Abaqus/Explicit有限元软件分析了全盔系统(头盔、护目镜和下颌防护装置)对TNT爆炸冲击波防护效果，研究结果表明，全盔系统可将颅内压力降低5倍以上。Sarvghad等模拟了爆炸冲击波的传播过程，并对无防护、有头盔防护和防弹面罩防护的有限元头部模型进行数值分析，获取不同来向冲击波的颅内生物力学参数。Shyam等从生物医学角度和头盔防护装备设计角度阐述了增加头盔的覆盖面积和密闭性的必要性。Valverde等通过数值模拟分析了排爆头盔在不同爆炸载荷下的力学响应，该头盔可大幅度降低爆炸冲击波超压，对人员进行有效防护。Grujicic等对涂有聚脲的ACH头盔开展基于爆炸冲击波防护性能研究，采用有限元方法分析颅内压力和加速度等，发现含有聚脲涂层的头盔能有效提高防冲击波特性。Jenson等开展基于爆炸冲击波下的高性能碳纳米管复合材料头盔多尺度计算模型研究，分析了有/无防护下头部以及纳米复合材料头盔内从爆炸到颅脑的能量传递的数值结果。Bloodworth-Race等通过激波管试验验证了不同厚度的头盔内开孔聚氨酯泡沫材料的吸能效果。Annette等研究分析了水下局部爆炸的压力- 时间关系，通过火箭筒、榴弹炮以及水下爆炸试验验证麻醉猪脑的压力变化规律和伤情特征，研究结果表明，低频波容易从空气或水中进入猪大脑，但高频波则被身体过滤，猪脑内所测得峰值超压为腹部的3%。Long等通过激波管模拟冲击波效应，研究了头盔材料凯夫拉纤维对小鼠创伤性脑损伤的防护效果，结果表明，126～147 kPa的空气超压易造成小鼠神经病理改变，引起TBI，显著影响急性心血管稳态机制和神经行为功能；
凯夫拉背心包裹了小鼠胸部和部分腹部，大大降低了死亡率，可有效防护冲击波超压。Long等利用头盔模型在有限元程序中模拟爆炸冲击波场并进行分析，研究结果表明，颅骨能够传递爆炸冲击波，引起颅内高压，正面爆炸的压力波可通过头盔两侧进入并环绕头部，导致后方二次冲击；
对于不戴头盔的情况，连续的正面爆炸冲击将引起更高的颅内压力，超过了造成脑损伤的 235 kPa 超压阈值。Moss等通过数值模拟发现非致命爆炸可以导致颅骨弯曲，从而在大脑中产生潜在的破坏性载荷，这种机制可有助于TBI的损伤诊断和头盔设计。
国内方面，蔡志华等对爆炸波的产生、造成的颅脑损伤类型及其病理特征、研究方法、致伤机制、损伤阈值和防护方法进行了综述，简要叙述了防爆头盔防护材料对冲击波的衰减作用及防护机制。柳占立等提出了基于颅脑爆炸伤致伤机制和评价指标的防护结构设计方法，包括新型防冲击波材料的头盔系统改进、头盔缓冲系统设计、增加头部保护系统的封闭性等。张文超等通过开展50 g TNT距有/无头盔防护下头部模型1 m处爆炸的数值模拟，分析不同工况下冲击波流场压力变化规律，得出典型战斗头盔可使前额空气超压衰减为无防护的54.5%，但是会使颅后空气超压增强为无防护的2.19倍。康越等基于激波管试验条件，对裸头模及佩戴一体结构头盔和分体结构头盔的头部模型进行冲击波防护性能评价测试，结果表明，人体眼部和耳部自身结构的特殊性使其极易成为冲击波攻击的重要靶向器官，防护装备结构密闭性可有效阻止冲击波进入颅脑内，减小叠加汇聚效应，提高士兵头面部装备防护性能。韩勇等研究了在冲击载荷下内衬泡沫的能量吸收能力对摩托车头盔防护性能的影响，建立了有限元数值分析头盔模型，并开展了跌落仿真实验，研究表明，在头盔的前部、冠部和后部测试点区泡沫密度由40 kg/m增加到80 kg/m时，泡沫的能量吸收能力逐渐增大，头部冲击能量衰减更快。
综上所述，头盔对冲击波脑损伤具有一定防护效果，但均都缺乏有效的试验验证，同时对于爆炸冲击波在头盔内的传播衰减规律尚不清晰。本文通过静爆试验研究头盔冲击波防护性能，结合壁面压力传感器和颅脑模拟靶标，形成不同头盔结构和头盔内不同位置的冲击波防护测试方法，并获取模拟靶标前额、颅顶和颅后的压力- 时间变化曲线，探索爆炸冲击波在有/无防护条件下的颅脑表面传播规律。
为真实模拟和评估爆炸冲击波对颅脑表面的作用规律，匹配不同结构头盔佩戴合理性等，依据国家军用标准GJB5477—2006男军人头面型三维尺寸中选用符合人体结构尺寸的颅脑靶标。本文主要定性分析颅脑皮肤表面、头盔内和头盔外冲击波传播规律，颅脑内部组织结构不影响测试结果，故该颅脑靶标没有考虑颅骨及脑组织，颅脑靶标内部填充聚氨酯泡沫。选用硅胶材料用于模拟头部皮肤，厚度约10 mm，其力学性能和生物皮肤较为相似。靶标重心位于鼻梁至颅后的中心处，符合人体头部重心位置，在颅脑靶标的前额、颅顶和颅后3个位置预留孔位，用于放置PCB自由场压力传感器，传感器测试面外置于模拟皮肤表面，如图1所示。
图1 颅脑模拟靶标Fig.1 Head surrogate for experiment
本文选用4种方案开展试验研究，分别为QGF-03式头盔、FAST头盔、FAST头盔+面罩和全盔，如图2所示。QGF-03式头盔是国内主要现役头盔之一，大量列装于全军和武警部队，由芳纶纤维制备而成。FAST头盔是一种综合承载型头盔，盔体匹配携行导轨和魔术贴，可搭载防护面罩等模块，广泛应用于特种部队和特警部门，可以满足不同作战环境，其采用超高分子量聚乙烯纤维制备而成。全盔由头盔、护目镜和护颌等模块一体化构成，实现对头面部、口鼻、耳部等器官的防护，本文拟用摩托车头盔作为全盔样机，所用材料为聚碳酸酯。试验方案如表1所示。
图2 试验用盔Fig.2 Helmets for experiment
表1 不同头盔类型试验方案Table 1 Different helmets for experiment
试验采用TNT炸药，装药质量为50 g，模拟战场环境下爆炸冲击波。TNT为压实药柱，采用电雷管起爆。药柱水平吊置于两个支架之间，离地面1.7 m，参照真实人体身高。以药柱中心位置为爆心，分别在药柱两侧放置颅脑靶标，根据爆炸冲击波在空气中传播规律的经验公式计算，将靶标距爆心拟定为1 m，模拟颅脑靶标遭受100 kPa的冲击波超压峰值，如图3所示。颅脑靶标同样采用支架固定，与药柱等高，数据采集设备采用瑞士Elsys公司生产的TraNET 408S瞬态记录仪。试验过程中1号压力传感器置于颅脑靶标1的前额,测得超压峰值为，2号、3号、4号传感器分别置于颅脑靶标2的前额、颅顶和颅后，测得超压峰值分别为、、。颅脑靶标均正脸面对爆心，试验场地布置如图4～图6所示。
图3 冲击波自由场压力- 时间曲线Fig.3 The pressure-time curve of the free-field shock wave
图4 头盔防护冲击波试验示意图Fig.4 Experiment arrangement
图5 试验现场布置图Fig.5 Photograph of the arrangement of experiment
图6 颅脑靶标佩戴头盔效果Fig.6 The head surrogate covered with different helmet in the experiment
爆炸试验所测得的压力- 时间曲线如图7所示。由图7可见，两个颅脑靶标前额处超压为典型近场冲击波时程曲线，具有明显超压峰值，峰值过后压力值逐渐下降。试验测得无防护条件下颅脑靶标的前额处在距爆心1 m处的正面超压为254.17～360.81 kPa之间，颅顶处为83.10 kPa和91.10 kPa，后脑处为56.10 kPa和57.76 kPa，如表2所示。分析可知由于冲击波的反射叠加作用，冲击波在前额部位的空气超压峰值大于相同位置的自由场压力峰值。
表2 有/无防护条件下冲击波压力 峰值测试结果Table 2 Results of experiments for overpressure of shock waves with/without helmet
图7 无防护条件下测试结果Fig.7 Results of pressure-time curves without helmet
对于颅脑靶标2，在无防护条件下冲击波自由场先正面作用于前额，在0.4 ms后波峰抵达颅顶，压力峰值为91.10 kPa，随后呈现缓慢衰减；
在0.8 ms后波峰抵达后脑处，压力峰值为56.10 kPa，随后呈现振荡衰减趋势，如图7(a)所示。分析可知由于头部的阻挡作用，冲击波呈包裹状向后脑传播，同时会围绕头部进行透射、折射和反射，最后冲击波会在后脑部位重新汇聚，汇聚部位会对头部造成多次冲击，但是相比于前额和颅顶，再次冲击压力峰值显著降低，呈振荡衰减趋势。
戴上QGF-03式头盔后，由于头盔的阻挡作用，避免了冲击波对前额的直接作用，前额部位空气压力峰值较无防护时显著降低，超压峰值为151.31 kPa和176.06 kPa，如图8所示。由图8可见：在0.4 ms后波峰抵达盔内颅顶处，曲线呈缓慢上升趋势，超压峰值为62.13 kPa和64.80 kPa；
0.8 ms后波峰抵达盔内后脑处，超压峰值为106.88 kPa和114.12 kPa，曲线振荡明显。分析可知，冲击波进入头盔内引起压力波效应，出现压力脉冲，考虑由冲击波的不同传播路径、头盔内表面反射等原因造成。从结果可知，在戴有QGF-03式头盔后颅脑靶标2内压力峰值中，>>，后脑处超压峰值显著增强。
图8 穿戴QGF-03式头盔后测试结果Fig.8 Results of pressure-time curves with QGF-03 helmet
定义头盔对冲击波的衰减率为=(-)，其中为无防护条件下超压峰值，为有防护条件下超压峰值。与无防护对比，戴上QGF-03式头盔后的前额和颅顶处超压能有效削弱58%和30%；
后脑处超压明显增强50%以上。基于上述现象，结合试验结果和仿真结果，分析在冲击波自由场中，冲击波超压在头盔内传播可能滞后于头盔外部，传至盔外耳后或颈脖处的冲击波会快速从后脑与盔体间隙处流入，与从前方传入的冲击波汇聚从而产生高压，致使颅后超压峰值显著升高，图8后脑处(4号测点)压力- 时间曲线振荡明显，表明冲击波反复作用于该区域。同时由于头盔的阻挡，高压气体不能快速扩散，致使盔内颅顶压力作用时间显著增长，颅顶处的正压时间从无防护的0.8 ms增长至有头盔的1.2 ms。
戴上FAST头盔后，靶标2前额传感器安装位置裸露在头盔外，再加上帽檐处反射叠加，导致超压峰值高于无防护状态，在364.84～405.02 kPa之间；
在0.5 ms后颅顶处正压缓慢增加，在1.2 ms后到达峰值，为37.36 kPa和38.86 kPa，整个正压时间持续1.5 ms(见图9)。超压峰值先作用于后脑处，为54.37 kPa和69.49 kPa，明显高于颅顶峰值，但超压冲量小于颅顶位置。与无防护对比，戴上FAST头盔后的颅顶超压能有效削弱56%，后脑处超压则增强9%。
图9 穿戴FAST头盔后测试结果Fig.9 Results of pressure-time curves with FAST helmet
与QGF-03式头盔相比，FAST头盔内设泡沫衬垫和风帽调节器，与颅脑靶标更加紧密贴合。泡沫衬垫在一定程度上具有吸波耗能作用，可有效抑制冲击波超压峰值，但紧密贴合形成的封闭性易增加盔内颅顶处正压作用时间。FAST头盔颅后的压力汇聚效应依然存在，但明显小于QGF-03式头盔。
戴上防护面罩后，靶标2前额处超压峰值显著降低，为75.41 kPa和77.05 kPa；
0.7 ms颅顶处正压缓慢上升，1.2 ms后达到峰值，为34.07 kPa和34.29 kPa，正压持续时间同样在1.5 ms之内，结果表明，防护面罩可有效阻挡冲击波作用。由图10(a)可知，戴上防护面罩后，超压峰值先作用于后脑处(4号测点)，在40.66～53.26 kPa之间，且高于颅顶峰值，故存在冲击波是先从头盔外部(耳后、后颈脖)流入后脑，与迎面而来从前额- 颅顶- 后脑传来的冲击波形成了反射叠加。与无防护对比，戴上带有防护面罩的FAST头盔后，前额、颅顶和后脑超压分别削弱75%、60%和17%。防护面罩能增强头盔的冲击波防护能力，有效削弱冲击波超压在颅脑表面作用。
图10 穿戴带有防护面罩的FAST头盔测试结果Fig.10 Results of pressure-time curves wearing FAST helmet with mask
穿戴全盔后，前额处超压峰值为10.79 kPa和11.36 kPa，1 ms后超压峰值先后作用于颅后和颅顶，颅顶处超压峰值为11.60 kPa和11.75 kPa，颅后处超压峰值为10.09 kPa和11.80 kPa。颅内三处测压点压力峰值显著降低，如图11所示。分析可知，全盔结构包含护目镜、护颌和护颈等模块，头部防护面积大，冲击波只能通过模块间微小间隙绕射流入头盔内并与颅脑靶标发生作用。由图11可见，三处压力曲线走向相似，前额和颅顶处呈振荡型上升曲线，在爆炸过程中，大部分能量通过冲击波在气- 固两相介质交界面形成反射而散失，剩余小部分能量在头盔材料界面传递方式发生改变，冲击波能量转化成材料弹性能、材料内部孔隙内能以及材料整体动能。同时，全盔内正负压持续时间为7 ms，显著高于其他头盔。分析可知，在冲击波自由场中，头盔外部空气快速流动导致压力降低，头盔内部空气无法迅速排出，头盔内外形成压力差，造成颅脑表面出现负压区，持续时间4～6 ms。颅后处呈现两次负压均表明冲击波超压没有在颅后形成压力汇聚效应，传播规律与QGF-03式头盔、FAST头盔结果不同。与无防护对比，戴上全盔后的前额、颅顶和后脑超压分别削弱90%、87%和80%，与QGF-03式头盔和带有防护面罩的FAST头盔相比，全盔具有更好的冲击波防护效果。
图11 穿戴全盔测试结果Fig.11 Results of pressure-time curves with full-face helmet
本文通过静爆试验研究头盔冲击波防护性能，结合壁面压力传感器和颅脑模拟靶标，形成了不同头盔结构和头盔内不同位置的冲击波防护测试方法，获得了模拟靶标前额、颅顶和颅后的压力- 时间变化曲线，分析了爆炸冲击波在有/无防护条件下的颅脑表面传播规律。得到主要结论如下：
1)头盔均能有效削弱冲击波超压，戴上QGF-03式头盔的前额超压可从无防护的352.57 kPa削弱至151.31 kPa；
戴上全盔后，则可削弱至11.36 kPa；
全盔防护效果最好，能在前额、颅顶和颅后超压分别削弱90%、87%、80%，密闭性对冲击波防护具有积极作用。
2)防护面罩可以大幅削弱爆炸冲击波对头部的伤害；
在半封闭的情况下，对前额和面部冲击波超压的削弱可达75%；
同时，对颅顶和颅后的冲击波也具有较好防护效果。
3)冲击波在有防护的颅脑靶标传播过程中，易发生绕射和汇聚叠加。绕射至头盔后部的冲击波会从后脑与盔体间隙处流入，与盔内的冲击波汇聚叠加从而产生高压，致使颅后超压峰值显著升高；
与无防护对比，QGF-03式头盔内颅后超压提高了50%～100%，FAST头盔内颅后超压提高了9%。
4)在冲击波自由场中，头盔外部空气快速流动导致压强降低，头盔内部高压气体又无法迅速排出，致使盔内压力作用时间显著增长；
同时头盔内外形成压力差易造成颅脑表面出现负压区。
