張文超，王 舒，梁增友，覃 彬，盧海濤，陳新元，盧文杰

（1. 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2. 中國(guó)兵器工業(yè)第208 研究所瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102202；3. 中國(guó)人民解放軍93320 部隊(duì)，黑龍江 齊齊哈爾 161000；4. 河南北方紅陽(yáng)機(jī)電有限公司，河南 南陽(yáng) 473000）

近年來(lái)國(guó)外戰(zhàn)爭(zhēng)及恐怖襲擊中，各種爆炸性武器尤其是簡(jiǎn)易爆炸裝置（improvised explosive device,IED）的大量使用使得爆炸沖擊傷成為戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中人員遭受的主要?jiǎng)?chuàng)傷，由于個(gè)人防護(hù)裝備（主要保護(hù)軀干）的更新和發(fā)展，沖擊傷最敏感的靶器官如肺、腸等的損傷及其所致死亡大大減少，但顱腦沖擊傷卻凸顯出來(lái)，成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)特征性創(chuàng)傷[1]。爆炸沖擊波作用人體誘發(fā)的顱腦沖擊傷（blast-induced traumatic brain injury, BTBI）可導(dǎo)致人體記憶缺失、注意力不集中、情緒緊張等問(wèn)題，還會(huì)導(dǎo)致睡眠障礙、疲勞、頭暈、易怒、頭痛和癲癇發(fā)作，嚴(yán)重影響士兵作戰(zhàn)能力，是伊拉克和阿富汗最常見(jiàn)的軍事傷害[2-3]。

目前不同種類戰(zhàn)斗頭盔如步兵頭盔、飛行員頭盔、坦克乘員頭盔、摩托兵頭盔等被用來(lái)保護(hù)顱腦免受傷害，但是現(xiàn)代戰(zhàn)斗頭盔的設(shè)計(jì)主要是用來(lái)避免鈍物或槍彈對(duì)頭部的直接打擊，防止可能對(duì)頭部造成的非貫穿性傷害等，它們對(duì)爆炸沖擊波的防護(hù)效果很大程度上是未知的[4]。學(xué)者們對(duì)頭盔的爆炸沖擊波防護(hù)能力已進(jìn)行了一些研究，Zhang 等[5]利用驗(yàn)證的頭部、頭盔有限元模型，對(duì)戴頭盔和不戴頭盔的情況下，頭部對(duì)爆炸載荷的響應(yīng)進(jìn)行了研究，模擬結(jié)果表明，先進(jìn)戰(zhàn)斗頭盔可使頭部顱內(nèi)壓減輕10%～35%，同時(shí)導(dǎo)致平均峰值腦應(yīng)變和應(yīng)變與應(yīng)變率乘積降低30%。Nyein 等[6]對(duì)超壓為1 MPa 的沖擊波沖擊未戴頭盔、戴頭盔、戴頭盔和面罩的頭部這三種工況進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明現(xiàn)有的先進(jìn)作戰(zhàn)頭盔對(duì)爆炸沖擊波沒(méi)有顯著防護(hù)效果，但是也不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面效果；頭盔和面罩結(jié)構(gòu)組合能夠阻礙沖擊波直接傳遞到面部，使應(yīng)力傳遞到顱內(nèi)腔時(shí)出現(xiàn)衰減和延遲，降低了顱內(nèi)應(yīng)力，防護(hù)效果較好。Sarvghad-Moghaddam等[7]通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬，研究了可壓縮空氣從不同方向接近頭盔結(jié)構(gòu)時(shí)的湍流、超聲速流動(dòng)，評(píng)估了不同入射超壓和頭盔間隙大小對(duì)腦后沖擊波壓力匯聚的影響。Tan 等[8]利用顱腦-頭盔仿真模型進(jìn)行爆炸沖擊波作用頭部研究，得出爆炸沖擊波能夠通過(guò)顱骨傳播，造成較高的顱內(nèi)壓，來(lái)自正面爆炸的壓力波可能會(huì)通過(guò)頭盔的側(cè)面進(jìn)入頭盔間隙并對(duì)顱腦后方進(jìn)行第二次沖擊。Li 等[9]通過(guò)試驗(yàn)及數(shù)值模擬對(duì)頭盔的沖擊波防護(hù)機(jī)理進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明沖擊波正面作用頭盔防護(hù)下頭部時(shí)，頭部顱頂區(qū)域超壓峰值減小，但顱后區(qū)域超壓峰值增大?？翟降萚10]對(duì)頭盔-頭模系統(tǒng)前部、前額部、頂部、后部、耳部以及眼部等重點(diǎn)區(qū)域的沖擊波超壓峰值和持續(xù)作用時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比分析，得出提高單兵頭面部防護(hù)裝備結(jié)構(gòu)密閉性（如佩戴眼鏡、耳罩或者防護(hù)面罩），可有效阻止沖擊波進(jìn)入頭盔-頭模系統(tǒng)內(nèi)部，減弱疊加匯聚效應(yīng)，提高單兵頭面部裝備防護(hù)性能。

基于以上可知，頭盔的沖擊波防護(hù)能力有一些結(jié)論得到了學(xué)者的統(tǒng)一認(rèn)可，但是部分結(jié)論存在矛盾與沖突。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，沖擊波作用于佩戴頭盔的頭部時(shí)，空氣流場(chǎng)壓力分布及沖擊波傳播規(guī)律尚不明確，為降低士兵在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中因爆炸沖擊波致顱腦創(chuàng)傷概率，提高戰(zhàn)斗頭盔的沖擊波防護(hù)能力，亟需對(duì)戰(zhàn)斗頭盔的沖擊波防護(hù)效能進(jìn)行研究。本文通過(guò)爆炸試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法相結(jié)合，對(duì)典型戰(zhàn)斗頭盔的沖擊波防護(hù)能力進(jìn)行研究，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果有效性進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)采用數(shù)值模擬方法對(duì)沖擊波作用有無(wú)防護(hù)頭部后流場(chǎng)壓力演化規(guī)律進(jìn)行描述，進(jìn)一步通過(guò)數(shù)值仿真方法對(duì)襯墊結(jié)構(gòu)對(duì)頭盔的沖擊波防護(hù)能力影響進(jìn)行研究，以期對(duì)沖擊波防護(hù)裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)及數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地布置

爆炸環(huán)境下頭部模型周圍空氣壓力場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)在室外環(huán)境下進(jìn)行，爆炸源為50 g TNT 藥柱。進(jìn)行了兩種工況的爆炸試驗(yàn)，每種工況下，藥柱與頭部之間的距離是1 m。工況1 為無(wú)防護(hù)頭部模型（裸頭模），工況2 為配戴頭盔防護(hù)頭部模型（盔殼頭模），為防止傳感器引起的測(cè)量誤差，每組均設(shè)置對(duì)稱裸頭模型作為對(duì)照組。在頭模上安裝三個(gè)壓力傳感器（PCB M102/106B 系列），測(cè)量前額、顱頂和顱后的壓力。這些傳感器的前端與頭模表面重合。戰(zhàn)斗頭盔外殼厚度為6.5 mm，頭模具有典型的人體頭部外觀結(jié)構(gòu)，由塑膠材料制成。試驗(yàn)場(chǎng)地布置及頭部模型分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地布置Fig. 1 Layout of test device

圖2 頭部替代模型Fig. 2 The dummy head models

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

沖擊波作用于無(wú)防護(hù)頭部時(shí)，對(duì)前額部位直接進(jìn)行沖擊，由于波阻抗不匹配，沖擊波在前額部位反射疊加產(chǎn)生較高的超壓峰值（277 kPa），隨后沖擊波繼續(xù)向前傳播并逐漸衰減，先后作用于顱頂（95 kPa）、顱后（52 kPa），顱后超壓峰值相比前額衰減81.3%（如圖3(a)所示）。沖擊波作用于頭盔防護(hù)下頭部時(shí)，由于頭盔的阻擋作用，沖擊波不能直接作用前額部位，前額部位超壓峰值（151 kPa）比無(wú)防護(hù)時(shí)低，隨后由于繞流作用沖擊波傳入頭-頭盔間隙先后作用于顱頂（64 kPa）、顱后（114 kPa）部位，顱后超壓相較前額衰減24.5%（如圖3(b)所示），顱后超壓大于顱頂超壓（增加50 kPa）。由于頭盔的存在，顱后超壓出現(xiàn)壓力增強(qiáng)現(xiàn)象。

圖3 實(shí)驗(yàn)獲得的壓力-時(shí)間曲線Fig. 3 Experimental time histories of pressure

分別取不同工況下相同位置處的超壓峰值進(jìn)行對(duì)比，由圖4 可知，頭盔防護(hù)下頭部前額、顱頂處超壓峰值較無(wú)防護(hù)時(shí)都降低，分別為無(wú)防護(hù)時(shí)的54.5%、67.3%。顱后空氣超壓出現(xiàn)增高，增加到無(wú)防護(hù)時(shí)的2.19 倍。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明頭盔防護(hù)可以有效減小沖擊波對(duì)頭部的直接沖擊，但是會(huì)對(duì)顱后沖擊波超壓起到增強(qiáng)作用，對(duì)顱后的沖擊波防護(hù)起到負(fù)面效果。下文將對(duì)頭盔防護(hù)下顱后沖擊波超壓增強(qiáng)現(xiàn)象結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行分析說(shuō)明。

圖4 峰值超壓對(duì)比Fig. 4 Peak pressure contrast

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型介紹

所建立的頭部有限元模型中，皮膚、顱骨幾何數(shù)據(jù)來(lái)源于陸軍軍醫(yī)大學(xué)可視人體切片數(shù)據(jù)集（CVH）[11]?；谄つw、顱骨幾何模型，利用Geomagic 對(duì)幾何模型進(jìn)行優(yōu)化，利用Hypermesh 對(duì)幾何進(jìn)行頭部有限元網(wǎng)格劃分。建立的頭部有限元模型包括皮膚、顱骨、面顱、腦脊液、腦組織等組織器官及硬腦膜、軟腦膜等膜結(jié)構(gòu)，膜結(jié)構(gòu)采用四邊形殼單元?jiǎng)澐?，其余部分均采? 面體實(shí)體單元，模型單元尺寸約3 mm，有限元模型如圖5 所示。

圖5 頭部有限元模型Fig. 5 Finite element model of head

爆炸空氣環(huán)境用邊長(zhǎng)60 cm 的立方體區(qū)域表征，頭部放置空氣域中心，沖擊波與頭部模型發(fā)生作用部分進(jìn)行網(wǎng)格加密，以保證耦合界面不出現(xiàn)壓力泄露，其他部分采用漸變網(wǎng)格，網(wǎng)格逐漸變大從而減少計(jì)算成本，空氣域中心區(qū)域單元尺寸4 mm，此時(shí)相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果收斂。

沖擊波作用頭部過(guò)程采用三維多物質(zhì)ALE 流固耦合方法[12]來(lái)實(shí)現(xiàn)，流固耦合算法用于定義空氣和頭部之間的相互作用，此算法使空氣給頭部施加壓力載荷，而頭部則相當(dāng)于空氣的邊界條件，用于約束空氣的運(yùn)動(dòng)。有限元模型中空氣單元采用Euler 網(wǎng)格描述，頭部單元采用Lagrangian 網(wǎng)格描述，利用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID 關(guān)鍵字進(jìn)行罰耦合算法的定義，定義空氣網(wǎng)格邊界參考?jí)毫闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325 kPa，這樣沖擊波負(fù)壓段壓力才會(huì)回升，與實(shí)際情況相符。

試驗(yàn)使用的頭盔具有地面部隊(duì)人員佩戴軍用頭盔典型結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部吊帶懸掛系統(tǒng)能夠避免頭部與盔殼直接接觸，對(duì)鈍器沖擊起到緩沖效果，頭盔實(shí)物圖如圖6 所示。

圖6 典型戰(zhàn)斗頭盔實(shí)物圖Fig. 6 Actual picture of typical combat helmet

沖擊波作用頭部屬于瞬態(tài)沖擊，可以忽略頭部懸掛在沖擊波作用時(shí)對(duì)頭部力的傳導(dǎo)，在建模過(guò)程中將內(nèi)部吊帶去除，對(duì)頭盔幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。戰(zhàn)斗頭盔凱夫拉盔殼厚6.9 mm，泡沫襯墊厚1～3 cm，頭盔及泡沫襯墊數(shù)值模型如圖7。

圖7 頭盔、泡沫襯墊數(shù)值模型Fig. 7 Simulation model of helmet and foam pad

2.2 本構(gòu)模型與材料參數(shù)

腦組織材料接近不可壓縮，是一種質(zhì)地很軟的生物軟組織，其表現(xiàn)為不可壓縮性、非線性、各向異性及粘彈性，大量腦組織實(shí)驗(yàn)證明腦組織的變形只取決于其剪切模量，本文腦組織采用粘彈性本構(gòu)模型[13,14]（*MAT_VISCOELASTIC）對(duì)材料性能進(jìn)行表征，其剪切彈性模量的計(jì)算公式為

式中：G0為短效剪切模量，G∞為長(zhǎng)效剪切模量，β為衰減系數(shù)。

腦脊液采用彈性流體本構(gòu)模型[15]（*MAT_ELASTIC_FLUID）表征。

頭部模型皮膚、顱骨、面顱、硬腦膜、軟腦膜均采用線彈性模型進(jìn)行表征，參考文獻(xiàn)[16-20]，各組織結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表1～3 所示。

表1 彈性模型材料參數(shù)Table 1 Material parameters of elastic model

頭盔盔殼材料使用復(fù)合材料模型*MAT_COMPOSITE_DAMAGE 進(jìn)行表征。頭盔泡沫襯墊是一種聚氨酯硬泡沫，具有加載率敏感性的應(yīng)力-應(yīng)變行為，使用MAT_LOW_DENSITY_FOAM材料模型進(jìn)行表征，其材料密度為6.1×10-2g/cm3，楊氏模量為8.4 MPa。參考文獻(xiàn)[5,13]，確定頭盔及泡沫襯墊具體材料參數(shù)。頭盔盔殼結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見(jiàn)表4，其中：ρ 為材料密度，E11、E22、E33為各向彈性模量，ν12、ν13、ν32為各向泊松比，G12、G23、G13為各向剪切模量，S11、S22為壓縮模量，Sc為剪切強(qiáng)度，Sn為壓縮強(qiáng)度。泡沫襯墊應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8 所示。

表2 黏彈性模型材料參數(shù)[13-14]Table 2 Material parameters of viscoelastic model

表3 彈性流體模型材料參數(shù)[15]Table 3 Material parameters of elastofluid model

表4 頭盔盔殼模型材料參數(shù)[5,13]Table 4 Material parameters of helmet model

圖8 硬泡沫應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 8 Hard foam stress-strain curve

2.3 爆炸沖擊波載荷和邊界條件

利用LS-DYNA 顯式動(dòng)力分析軟件模擬了50 g TNT 距離頭部1 m 處爆炸時(shí)沖擊波與頭部相互作用過(guò)程?？諝鈪⒖?jí)毫闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325 kPa，在歐拉域迎爆面設(shè)置壓力加載邊界，沖擊波從此邊界輸入。為了避免壓力波在歐拉域邊界反射對(duì)頭部產(chǎn)生不真實(shí)的二次沖擊，在歐拉域周圍設(shè)置非反射邊界[21]。

空氣沖擊波超壓在正壓段大致按指數(shù)規(guī)律衰減，一些經(jīng)驗(yàn)公式可以描述此衰減過(guò)程，其中Friedlander方程[8]較接近實(shí)際且又簡(jiǎn)單易于計(jì)算：

式中：pS為入射超壓；t*為正壓作用時(shí)間。

沖擊波即將與頭部接觸時(shí)沖擊波超壓為106 kPa，正壓持續(xù)時(shí)間為690 μs。沖擊波輸入面及作用于頭部的載荷曲線如圖9。

圖9 頭部沖擊波載荷Fig. 9 Acting blast wave loads on the head

2.4 數(shù)值模擬沖擊波流場(chǎng)壓力分布有效性驗(yàn)證

進(jìn)行典型戰(zhàn)斗頭盔對(duì)爆炸沖擊波的防護(hù)效果模擬研究，需對(duì)沖擊波作用有無(wú)防護(hù)頭部后流場(chǎng)壓力分布進(jìn)行驗(yàn)證，首先利用LS-DYNA 顯式動(dòng)力分析軟件對(duì)上文試驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬，試驗(yàn)結(jié)果及仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖10 和表5。

圖10 仿真與試驗(yàn)超壓曲線對(duì)比Fig. 10 Comparison of simulation and experimental results

表5 觀測(cè)點(diǎn)超壓峰值及誤差Table 5 Overpressure peak and error at observation points

由圖10 和表5 可得，有無(wú)頭盔防護(hù)下頭部前額、顱頂、顱后觀測(cè)點(diǎn)仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果峰值壓力誤差較小，且壓力變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，說(shuō)明數(shù)值仿真能較好反映爆炸沖擊波作用頭部后空氣壓力場(chǎng)分布情況。

2.5 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

基于上述有限元模型及爆炸沖擊波加載，利用LS-DYNA 顯式動(dòng)力分析軟件對(duì)爆炸沖擊波正面作用無(wú)防護(hù)、無(wú)襯墊頭盔防護(hù)、帶襯墊頭盔防護(hù)下頭部3 種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，在頭部前額、顱后、耳側(cè)、頂側(cè)選取6 個(gè)壓力采集點(diǎn)提取壓力時(shí)程曲線，結(jié)合沖擊波流場(chǎng)壓力云圖分析爆炸沖擊波與頭部相互作用過(guò)程，得出不同工況下沖擊波流場(chǎng)壓力變化規(guī)律，對(duì)泡沫襯墊對(duì)頭盔的沖擊波防護(hù)效果影響進(jìn)行研究。

2.5.1 無(wú)頭盔防護(hù)空氣流場(chǎng)壓力分布

無(wú)頭盔防護(hù)時(shí)頭部周圍特征部位壓力采集點(diǎn)位置如圖11 所示，采集點(diǎn)超壓-時(shí)程曲線如圖12 所示，結(jié)合空氣流場(chǎng)壓力云圖對(duì)沖擊波作用頭部過(guò)程進(jìn)行分析。

圖11 頭部周圍采樣點(diǎn)位置示意圖Fig. 11 Schematic diagram of sampling points around the head

圖12 采樣點(diǎn)超壓曲線Fig. 12 Pressure curves of sampling points

爆炸沖擊波正面作用無(wú)防護(hù)頭部時(shí)，空氣流場(chǎng)壓力演化過(guò)程如圖13 所示。t=400 μs 時(shí)沖擊波即將與頭部接觸，此時(shí)沖擊波峰值超壓為106 kPa；隨后沖擊波與頭部相互作用，由于波阻抗不匹配，沖擊波在空氣-皮膚介質(zhì)界面反射疊加，超壓出現(xiàn)增強(qiáng)；t=430 μs 時(shí)，沖擊波作用于A點(diǎn)，超壓峰值達(dá)到164 kPa，為自由場(chǎng)相同位置（98 kPa）的1.67 倍；t=600 μs 時(shí)，由于頭部阻擋，沖擊波在頭部周圍除發(fā)生反射外還發(fā)生繞流作用向顱后傳播；由圖13 可以看出，在稀疏波作用下面部空氣受影響而改變了運(yùn)動(dòng)方向，形成圍繞頭部向顱后傳播的的高壓氣流，同時(shí)又和相鄰的入射波一起作用，變成繞流向顱后傳播。t=1000μs 時(shí)，繞流波會(huì)在顱后部位重新匯聚，匯聚作用的合成波區(qū)會(huì)出現(xiàn)峰值超壓增強(qiáng)，對(duì)頭部造成二次沖擊，但是相比于面部首次沖擊，二次沖擊超壓峰值（56 kPa）顯著降低。耳部凹面結(jié)構(gòu)使得沖擊波反射疊加增強(qiáng)，出現(xiàn)更高的超壓，峰值超壓增大為150 kPa，為自由場(chǎng)相同位置（86 kPa）的1.7 倍。沖擊波對(duì)頭部作用順序?yàn)锳（164 kPa）→B（116 kPa）→（E（150 kPa）與F（91 kPa））→C（39 kPa）→D（56 kPa）。

圖13 爆炸沖擊波壓力云圖Fig. 13 Pressure nephogram of blast wave

2.5.2 頭盔（無(wú)襯墊）防護(hù)下空氣流場(chǎng)壓力分布

頭盔（無(wú)襯墊）防護(hù)下頭部周圍特征部位壓力采集點(diǎn)位置如圖14 所示，采集點(diǎn)超壓-時(shí)程曲線如圖15所示，結(jié)合空氣流場(chǎng)壓力云圖對(duì)沖擊波作用頭盔防護(hù)下頭部過(guò)程進(jìn)行分析。

圖14 頭部周圍采樣點(diǎn)位置示意圖Fig. 14 Schematic diagram of sampling points around the head

圖15 采樣點(diǎn)超壓曲線Fig. 15 Pressure curves of sampling points

爆炸沖擊波正面作用頭盔（無(wú)襯墊）防護(hù)下頭部時(shí)，空氣流場(chǎng)壓力演化過(guò)程如圖16 所示。t=400 μs 時(shí)沖擊波即將與頭部接觸，此時(shí)沖擊波峰值超壓為106 kPa 與上述工況一致。t=480 μs時(shí)沖擊波作用至A點(diǎn)，由于頭盔的存在避免了沖擊波對(duì)前額的直接沖擊，前額（A點(diǎn)）部位沖擊波超壓峰值為92 kPa，較無(wú)防護(hù)時(shí)（164 kPa）降低43.9%，同時(shí)作用時(shí)刻較無(wú)防護(hù)出現(xiàn)延遲。t=600 μs 時(shí)由于頭盔-頭部阻擋，沖擊波除發(fā)生反射透射外還圍繞頭盔-頭部發(fā)生繞流作用，沖擊波鋒面分為2 個(gè)部分，一部分在頭盔外圍繞頭部傳播，另一部分繞流進(jìn)入頭-頭盔間隙進(jìn)行傳播，同時(shí)頭盔的阻擋使得沖擊波在頭盔與顱頂間隙傳播滯后于頭盔外部，沖擊波繞流到顱后會(huì)從頭部后方向顱頂方向傳播，由前后不同方向傳入頭-頭盔間隙的高壓氣流會(huì)在顱后一處發(fā)生碰撞，碰撞區(qū)的壓力驟然升高，C點(diǎn)壓力（130 kPa）上升為無(wú)防護(hù)時(shí)（39 kPa）的3.3 倍。頭盔外部繞流波到達(dá)頭部后方會(huì)形成一個(gè)壓力較高的合成波區(qū)，合成的沖擊波繼續(xù)向后傳播。

圖16 爆炸沖擊波壓力云圖Fig. 16 Pressure nephogram of blast wave

由于頭盔的阻擋高壓氣流不能很快擴(kuò)散，C點(diǎn)沖擊波正壓作用時(shí)間顯著增長(zhǎng)（由560 μs 增加到740 μs）。此結(jié)構(gòu)頭盔對(duì)耳部無(wú)正面遮擋，與無(wú)防護(hù)相比，耳部E點(diǎn)超壓變化（由150 kPa 變?yōu)?51 kPa）較小，對(duì)側(cè)頂F位置超壓（由91 kPa 變?yōu)?9 kPa）有衰減效果，但是會(huì)使正壓作用時(shí)間增長(zhǎng)（由440 μs 變?yōu)?70 μs）。頭盔防護(hù)下沖擊波對(duì)頭部的作用順序?yàn)锳（92 kPa）→B（70 kPa）→E（151 kPa）→F（49 kPa）→D（85 kPa）→C（130 kPa）。由此解釋了試驗(yàn)中頭盔對(duì)顱后沖擊波防護(hù)的負(fù)面效果形成機(jī)制。

2.5.3 頭盔（帶襯墊）防護(hù)下空氣流場(chǎng)壓力分布

頭盔（帶襯墊）防護(hù)下頭部周圍特征部位壓力采集點(diǎn)位置如圖17 所示，采集點(diǎn)超壓-時(shí)程曲線如圖18所示，結(jié)合空氣流場(chǎng)壓力云圖對(duì)沖擊波作用帶襯墊頭盔防護(hù)下頭部過(guò)程進(jìn)行分析。

圖17 頭部周圍采樣點(diǎn)位置示意圖Fig. 17 Schematic diagram of sampling points around the head

圖18 特征部位采樣點(diǎn)超壓曲線Fig. 18 Pressure curves of sampling points

爆炸沖擊波正面作用頭盔（帶襯墊）防護(hù)下頭部時(shí)，空氣流場(chǎng)壓力演化過(guò)程如圖19 所示。由于沖擊波繞流作用即使有泡沫襯墊阻擋高壓氣流仍會(huì)進(jìn)入頭-頭盔間隙，在間隙內(nèi)形成沖擊波，t=480 μs 時(shí)沖擊波作用至A點(diǎn)，頭盔防護(hù)避免了沖擊波對(duì)前額的直接沖擊，相較無(wú)防護(hù)前額部位空氣超壓降低23 kPa （由164 kPa 變?yōu)?41 kPa），但由于前額處襯墊阻擋沖擊波在襯墊-前額間隙反射疊加使壓力增強(qiáng)，故前額處空氣超壓較無(wú)襯墊時(shí)升高53.2%（由92 kPa 變?yōu)?41 kPa）。與無(wú)襯墊頭盔防護(hù)時(shí)同理，沖擊波通過(guò)頭-頭盔間隙傳至顱后，在顱后（C點(diǎn)）位置仍會(huì)出現(xiàn)高壓氣流碰撞作用使得空氣超壓相對(duì)裸頭模升高1.4 倍（由56 kPa 變?yōu)?1 kPa），但是襯墊對(duì)高壓氣流的傳播有阻擋作用，故相對(duì)于無(wú)襯墊頭盔防護(hù)時(shí)C點(diǎn)壓力減小37.6%（由130 kPa 變?yōu)?1 kPa），同時(shí)側(cè)頂F位置空氣超壓也出現(xiàn)減?。ㄓ?9 kPa 變?yōu)?5 kPa）。由以上可知加入襯墊結(jié)構(gòu)后顱后的壓力匯聚效應(yīng)仍然存在，但是相同位置空氣超壓都出現(xiàn)一定程度減小。由于此結(jié)構(gòu)頭盔對(duì)耳部無(wú)正面遮擋，E 點(diǎn)超壓在不同工況下基本一致。加襯墊頭盔防護(hù)下沖擊波對(duì)頭部的作用順序?yàn)锳（141 kPa）→E（154 kPa）→B（51 kPa）→F（35 kPa）→D（86 kPa）→C（81 kPa）。

圖19 爆炸沖擊波壓力云圖Fig. 19 Pressure nephogram of blast wave

2.5.4 腦組織壓力分析

為了對(duì)頭盔防護(hù)效果有更清晰的認(rèn)識(shí)，在腦組織額葉、頂葉、枕葉三個(gè)特征部位各取一個(gè)壓力觀測(cè)點(diǎn)，觀察腦組織壓力變化情況，觀測(cè)點(diǎn)位置如圖20。所使用頭部模型腦組織壓力響應(yīng)在先前研究中已通過(guò)有效性驗(yàn)證[22]。

圖20 壓力觀測(cè)點(diǎn)Fig. 20 Pressure observation points

提取每組工況下3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，組織壓力變化曲線圖21～圖23 所示。

圖21 額葉觀測(cè)點(diǎn)壓力變化Fig. 21 Pressure curves of frontal lobe observation points

圖22 頂葉觀測(cè)點(diǎn)壓力變化Fig. 22 Pressure curves of parietal lobe observation points

圖23 枕葉觀測(cè)點(diǎn)壓力變化Fig. 23 Pressure curves of occipital lobe observation points

腦組織所受壓力過(guò)高時(shí)會(huì)出現(xiàn)腦出血造成嚴(yán)重腦損傷，過(guò)高的負(fù)瞬態(tài)壓力也可引起腦空化性損傷[23]，根據(jù)顱內(nèi)壓耐受標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)顱內(nèi)壓峰值超過(guò)235 kPa 時(shí)，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重腦損傷，低于173 kPa 時(shí)，會(huì)發(fā)生輕微損傷或不發(fā)生損傷[24-25]。由以上不同工況下腦組織壓力曲線可知，沖擊波作用頭部后，頭盔防護(hù)下（無(wú)襯墊）額葉、頂葉組織壓力峰值分別較無(wú)防護(hù)時(shí)降低59%、63.3%，枕葉組織壓力峰值較無(wú)防護(hù)升高10.8%。頭盔結(jié)構(gòu)可以有效減小額葉及頂葉腦組織壓力使其降于損傷閾值以下，但在頭盔防護(hù)下，枕葉組織壓力峰值會(huì)升高，頭盔防護(hù)結(jié)構(gòu)在顱后起到負(fù)面效果。有無(wú)襯墊頭盔防護(hù)下組織壓力峰值相差較小，但通過(guò)空氣流場(chǎng)壓力分布可知襯墊結(jié)構(gòu)可使顱后空氣超壓降低，因此可以通過(guò)設(shè)計(jì)泡沫襯墊結(jié)構(gòu)來(lái)減弱頭盔顱后沖擊波防護(hù)的負(fù)面效果，提高頭盔對(duì)爆炸沖擊波的防護(hù)能力。

3 結(jié) 論

通過(guò)試驗(yàn)及數(shù)值模擬方法進(jìn)行了頭盔防護(hù)顱腦沖擊傷效能研究，研究結(jié)果如下：

(1) 頭盔防護(hù)能避免前額部位直接受到?jīng)_擊波沖擊，使前額、顱頂部位空氣超壓峰值分別衰減為無(wú)防護(hù)時(shí)的54.5%、67.3%，但是會(huì)使顱后空氣超壓增強(qiáng)為無(wú)防護(hù)的2.19 倍；

(2) 頭盔的阻擋作用導(dǎo)致頭盔與頭頂間隙沖擊波傳播滯后于頭盔外部，沖擊波傳至頭部后方時(shí)會(huì)進(jìn)行壓力匯聚，高壓氣流會(huì)在顱后頭盔間隙內(nèi)發(fā)生碰撞，致使顱后沖擊波超壓峰值顯著升高，頭盔的阻擋使高壓流不能很快擴(kuò)散，沖擊波正壓作用時(shí)間顯著增長(zhǎng)；

(3) 頭盔防護(hù)下泡沫襯墊可使顱后沖擊波超壓減弱，消弱頭盔對(duì)顱后沖擊波防護(hù)的負(fù)面效果，使頭盔的沖擊波防護(hù)效能得到提升；沖擊波正面沖擊下耳廓結(jié)構(gòu)會(huì)使沖擊波超壓放大，為自由場(chǎng)相同位置1.7 倍，耳是沖擊波作用重要靶器官。