施曉晴 謝依漫 趙浩男 蘇軍強(qiáng)

摘要： 針對(duì)軍事訓(xùn)練傷中因與地面接觸、摩擦造成的膝部軟組織挫傷等損傷，氣囊可以作為防護(hù)材料與作訓(xùn)褲結(jié)合設(shè)計(jì)，然而氣囊囊壓與其緩沖性能并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。本文以嵌入式作訓(xùn)褲為載體，以膝部氣囊的防護(hù)性能為研究對(duì)象，選擇了低姿匍匐和臥倒等動(dòng)作，基于FSR薄膜壓力傳感器進(jìn)行壓力測(cè)試以獲得膝部受到的壓力。再利用仿真軟件ABAQUS，將壓力測(cè)試中的峰值力施加在氣囊表面，探討了不同氣壓下的氣囊形變效果，并對(duì)不同動(dòng)作下的氣囊囊壓和最小外力功進(jìn)行了單因素方差分析。結(jié)果表明，氣囊作為該嵌入式作訓(xùn)褲的膝部防護(hù)材料，隨著氣囊囊壓的上升，緩沖吸能效果顯著提高，當(dāng)氣囊囊壓達(dá)到50 kPa防護(hù)效果最佳。

關(guān)鍵詞： 氣囊;作訓(xùn)褲;ABAQUS;防護(hù)性能;作訓(xùn)動(dòng)作;仿真模擬

中圖分類(lèi)號(hào)： TS941.17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1001-7003（2023）07-0055

作者簡(jiǎn)介：

施曉晴（1999），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榉b智能制造。通信作者：蘇軍強(qiáng)，副教授，jqsu@jiangnan.edu.cn。

軍事訓(xùn)練損傷（Military Training Injuries，MTI）是因軍事訓(xùn)練活動(dòng)造成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)或組織器官損傷。據(jù)研究調(diào)查，中國(guó)軍隊(duì)軍事訓(xùn)練損傷的發(fā)生率在15%～18.7%，其損傷類(lèi)型主要包括骨關(guān)節(jié)和軟組織損傷，分布的主要身體部位是下肢、上肢、軀干與頭頸［1］。體能訓(xùn)練和戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練中存在著大量的下肢運(yùn)動(dòng)，如匍匐、武裝越野、臥倒等，除去因骨骼和肌肉過(guò)度勞損導(dǎo)致的應(yīng)力性損傷，很多動(dòng)作都存在著大量的接觸、摩擦地面訓(xùn)練，反復(fù)的摩擦容易對(duì)下肢部位造成損傷，可能導(dǎo)致肌腱和韌帶受損及關(guān)節(jié)活動(dòng)障礙［2］。王磊等［3］通過(guò)對(duì)1 015例士兵的訓(xùn)練傷進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)大部分士兵均有膝關(guān)節(jié)損傷;Muller等［4］基于基礎(chǔ)軍事訓(xùn)練損傷對(duì)774個(gè)受試者進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，同樣得到下肢中主要包括膝關(guān)節(jié)扭傷、急性骨折等損傷。因此，膝關(guān)節(jié)防護(hù)更應(yīng)該注重防護(hù)，必要時(shí)需要穿戴護(hù)膝等裝備，提高膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。

氣囊是一種通過(guò)囊內(nèi)空氣或者其他介質(zhì)實(shí)現(xiàn)緩沖作用的防護(hù)性材料，其最初應(yīng)用在汽車(chē)的安全防護(hù)系統(tǒng)，后因氣囊有很好的安全防護(hù)和緩沖吸能的作用，逐漸被應(yīng)用在功能性服裝領(lǐng)域中。杜子文等［5］基于氣囊的緩沖作用，研究設(shè)計(jì)了保護(hù)工人高空墜落的智能氣囊防護(hù)服。張文龍等［6］同樣運(yùn)用安全氣囊的防護(hù)原理，對(duì)老人跌倒防護(hù)氣囊進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。

充氣壓力作為影響氣囊緩沖性能的重要因素，其與緩沖效果之間并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。溫金鵬等［7］在氣囊減緩沖擊的研究中，表明適當(dāng)增加氣囊初始?jí)毫梢杂行г黾泳彌_能力，但是當(dāng)氣囊初始?jí)毫Τ^(guò)極限壓力，則會(huì)使緩沖性能降低。因此，氣囊作為防護(hù)材料與服裝結(jié)合時(shí)，需要考慮到氣囊的囊內(nèi)壓力對(duì)氣囊防護(hù)效果的影響。目前對(duì)于氣囊的防護(hù)性研究主要有兩種方法，一種是采用仿真軟件，模擬氣囊的受力形變情況和能量變化，如張全學(xué)等［8］建立氣囊與髖骨的有限元模型，通過(guò)虛擬仿真的方式來(lái)探究某型氣囊的緩沖作用。另一種則是采用實(shí)驗(yàn)法，如楊威等［9］在研究氣囊囊壓對(duì)跌倒防護(hù)氣囊的緩沖性能時(shí)，提出一種等效模型，建立跌落測(cè)試平臺(tái)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

本文以作訓(xùn)褲為載體，進(jìn)行了膝部氣囊式防護(hù)墊設(shè)計(jì)，以降低作訓(xùn)動(dòng)作中膝部受到的軟組織挫傷等傷害。同時(shí)，為確定防護(hù)性最佳的氣囊囊壓范圍，本文探究了氣囊囊內(nèi)壓力與膝部緩沖效果之間的影響關(guān)系。針對(duì)代表性的作訓(xùn)動(dòng)作，采用薄膜壓力測(cè)試儀器進(jìn)行壓力峰值測(cè)試，結(jié)合仿真軟件，量化囊壓與緩沖效果的關(guān)聯(lián)性，為膝部氣囊式防護(hù)墊的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 嵌入式作訓(xùn)褲

作訓(xùn)環(huán)境是實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練的載體，在單兵防護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展中應(yīng)該做到精準(zhǔn)防護(hù)。目前作訓(xùn)服通常是在膝部、肘部等關(guān)節(jié)中利用內(nèi)補(bǔ)丁的方式為護(hù)墊的裝配預(yù)留空間［10］，但是這種方式在實(shí)際應(yīng)用中護(hù)墊難以拆卸，無(wú)法實(shí)現(xiàn)隨意加裝護(hù)墊。雖然可以通過(guò)粘貼式和捆綁式的方法加裝護(hù)墊，但是這種在穿脫時(shí)需要耗費(fèi)一定時(shí)間，且攜帶不方便。因此本文在作訓(xùn)褲的設(shè)計(jì)中，采用嵌入式的方式將氣囊防護(hù)材料與作訓(xùn)褲的防護(hù)部位相結(jié)合，在膝蓋防護(hù)部位以插袋的形式來(lái)容納氣囊防護(hù)材料，如圖1所示。當(dāng)需要防護(hù)的時(shí)候，將氣囊直接放入插袋中，通過(guò)魔術(shù)貼將插袋上開(kāi)口密封，利用綁帶固定氣囊并防止氣囊移位，同時(shí)可以調(diào)整膝部防護(hù)部位的松緊程度。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)制作作訓(xùn)樣褲，嵌入式作訓(xùn)樣褲實(shí)物如圖2所示。作訓(xùn)時(shí)，可以直接將氣囊防護(hù)材料置入作訓(xùn)褲的膝蓋部位，與傳統(tǒng)的捆綁式防護(hù)墊設(shè)計(jì)相比，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、易于拆卸的優(yōu)勢(shì)。

1.2 膝部氣囊

膝部關(guān)節(jié)主要包括髕骨、半月板等，其中髕骨是膝部的核心關(guān)節(jié)［11］，它與股骨相連，集中并傳導(dǎo)股四頭肌不同方向的牽引力，在膝部關(guān)節(jié)的保護(hù)中起到了重要作用。作訓(xùn)時(shí)膝部的髕骨處可能會(huì)受到高強(qiáng)度壓力及摩擦，比起膝部其他部位更需要有效的減震防撞，同時(shí)髕骨的運(yùn)動(dòng)范圍較大，需要對(duì)髕骨部位進(jìn)行一定的固定作用［12］。

故將氣囊的中間設(shè)計(jì)為圓形腔體，對(duì)應(yīng)著膝部的髕骨部位，當(dāng)氣囊充氣后，圓形腔體膨脹壓迫膝部，限制髕骨的運(yùn)動(dòng)范圍，以達(dá)到保護(hù)髕骨的目的。其他部位為若干個(gè)長(zhǎng)方形腔體，當(dāng)氣囊充氣膨脹后，以便貼合膝部從而達(dá)到防護(hù)效果。膝部氣囊平面和實(shí)物如圖3所示。

1.3 作訓(xùn)動(dòng)作選擇

匍匐前進(jìn)和臥倒均屬于單兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練的基礎(chǔ)動(dòng)作科目。匍匐前進(jìn)依據(jù)遮蔽物的高度分為低姿匍匐、側(cè)身匍匐和高姿匍匐，是利用較低遮蔽物或者通過(guò)較短地段時(shí)采用的前進(jìn)方法。匍匐前進(jìn)利用手臂和腿部的攀爬力量，在軀體貼近地面時(shí)也能使身體整體前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，蹬地時(shí)除了手臂肌肉和肘關(guān)節(jié)的支撐作用，股內(nèi)側(cè)肌、膝蓋內(nèi)側(cè)、小腿三頭肌等下肢部位都產(chǎn)生了較大的支撐反作用力［13］。臥倒是當(dāng)發(fā)生爆炸時(shí)對(duì)減少爆炸傷害的有效動(dòng)作，在與地面接觸前，身體需要前傾重心前移，同時(shí)左手向前伸出，并迅速按照手、肘、膝的順序側(cè)臥。在作訓(xùn)過(guò)程中，匍匐前行和臥倒都需要膝部與地面發(fā)生碰撞摩擦，且長(zhǎng)時(shí)間肢體與地面或障礙物直接接觸，容易發(fā)生軟組織挫傷。因此在作訓(xùn)中，需要在作訓(xùn)褲上設(shè)置防護(hù)部位以保護(hù)膝部。故本文針對(duì)作訓(xùn)褲中膝部設(shè)計(jì)的氣囊防護(hù)材料，選擇匍匐前進(jìn)（包括低姿匍匐、側(cè)身匍匐和高姿匍匐）和臥倒作為所測(cè)試的作訓(xùn)動(dòng)作進(jìn)行防護(hù)性實(shí)驗(yàn)。

2 基于薄膜壓力傳感器的壓力測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與原理

FSR電阻式薄膜壓力傳感器可以靈敏地捕捉到動(dòng)態(tài)力，且因?yàn)槭侨嵝圆牧?，可以彎曲折疊，能夠適用于復(fù)雜表面。Wiener等［14］利用壓電薄膜傳感器進(jìn)行防護(hù)部位的跌倒性能測(cè)試，但是由于受到作用力產(chǎn)生的電荷信號(hào)較微弱，此類(lèi)傳感器更加偏向于定性分析壓力的變化趨勢(shì)或者相對(duì)大小?？紤]到測(cè)量的精度問(wèn)題，需要將采集的電阻值轉(zhuǎn)化為電壓值［15］，調(diào)節(jié)輸出的模擬電壓值范圍以增益靈敏度。本文通過(guò)線性電壓轉(zhuǎn)換模塊和ARDUINO例程將電阻值轉(zhuǎn)化為壓力值，利用單片機(jī)控制板讀取并在串口軟件上獲取相應(yīng)的力值信息。整套測(cè)試儀器如圖4所示，包括FSR電阻式薄膜壓力傳感器、壓力轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)控制板，其中薄膜壓力傳感器的型號(hào)為IMS-S40A，面積為40 mm×40 mm，靈敏度范圍為0.5～30.0 kg。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取8名經(jīng)常鍛煉的受試者，年齡（23±1）歲，身高（163±3） cm，體重（57±6） kg，BMI在19.9～22.8 kg/m2，均在正常的體脂范圍內(nèi)。所有受試者近期內(nèi)下肢無(wú)損傷史，且均在學(xué)習(xí)匍匐前行和臥倒動(dòng)作后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

考慮到預(yù)設(shè)的氣囊囊壓變化區(qū)間較大，受試者需要多次重復(fù)作訓(xùn)動(dòng)作，時(shí)間較長(zhǎng)，可能會(huì)使受試者產(chǎn)生一定的疲勞度從而影響測(cè)試結(jié)果，因此該實(shí)驗(yàn)僅測(cè)試無(wú)氣囊狀態(tài)下防護(hù)部位受到的壓力大小。

8名受試者測(cè)試前先做好熱身準(zhǔn)備工作。因?yàn)橘橘肭斑M(jìn)是周期性運(yùn)動(dòng)，以及臥倒動(dòng)作為左肢支撐，轉(zhuǎn)體伏地時(shí)右膝與地面碰撞，故將柔性薄膜壓力傳感器貼在受試者的右膝部位置。根據(jù)作訓(xùn)動(dòng)作膝部受力情況的不同，選擇不同的測(cè)試部位，每個(gè)受試者每個(gè)動(dòng)作分別測(cè)試3次，通過(guò)單片機(jī)控制板與電腦中的串口軟件相連得到壓力數(shù)據(jù)，具體流程如圖5所示。

2.3 測(cè)量結(jié)果與分析

2.3.1 重復(fù)性檢驗(yàn)

組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）是一種重復(fù)測(cè)量檢驗(yàn)，可以用來(lái)評(píng)價(jià)受試者對(duì)測(cè)量結(jié)果的一致性或者可重復(fù)性。為了檢驗(yàn)上述實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)能否測(cè)量同一特質(zhì)，故對(duì)所獲得的每組數(shù)據(jù)進(jìn)行ICC分析。當(dāng)ICC值小于0.4表示信度較差，0.4～0.75表明信度一般，大于0.75表示信度良好。三組匍匐前行的ICC相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果如表1所示，ICC值分別為0.788、0.761、0861、0.795。可以看出所測(cè)數(shù)據(jù)一致性較好，具有可重復(fù)性。

2.3.2 低姿匍匐

低姿匍匐為周期性動(dòng)作，對(duì)低姿匍匐的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行觀察，蹬地動(dòng)作主要是通過(guò)膝部?jī)?nèi)側(cè)與地面之間的反作用力來(lái)完成，主要的受力部位為膝部?jī)?nèi)側(cè)?？梢詫⒌妥速橘敕譃閮蓚€(gè)個(gè)階段，即蹬地階段（T1）與屈腿階段（T2），如圖6所示。整個(gè)過(guò)程膝部?jī)?nèi)側(cè)所測(cè)壓力呈先增大后減小的趨勢(shì)，T1階段所測(cè)壓力明顯增大，此階段右腿膝部?jī)?nèi)側(cè)逐漸受力以完成蹬地前行。T2階段壓力慢慢減小，因?yàn)樵谠撾A段過(guò)程中，右側(cè)膝部在完成蹬地后開(kāi)始屈腿，左臂前伸同時(shí)左腿開(kāi)始發(fā)力蹬地使肢體前移，此時(shí)右側(cè)膝部與地面之間的作用力減小。峰值點(diǎn)上的力為蹬地瞬間膝部?jī)?nèi)側(cè)與地面之間的作用力，取其峰值的平均值為94.2 N。

2.3.3 側(cè)身匍匐

側(cè)身匍匐幾乎是靠著左臂和右肢的力量匍匐前進(jìn)，身體左側(cè)與右肢與地面接觸，左臂向前傾斜以支撐上體，左腿彎曲右腿著地。一個(gè)周期過(guò)程所測(cè)壓力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，可以將側(cè)身匍匐主要分為兩個(gè)階段，如圖7所示。T1階段身以左小臂的支撐力、左手的扒力和右腳跟的蹬力使身體前移，此階段主要是膝部?jī)?nèi)側(cè)與地面開(kāi)始發(fā)生作用力，故膝部所受壓力在不斷增大。T2階段為左大臂向前傾斜伸出，右腳跟靠近臀部著地。膝部所受壓力在不斷減小。側(cè)身匍匐過(guò)程中的峰值力為右腿前移時(shí)膝部受到的作用力，取壓力峰值的平均值為137.9 N。

2.3.4 高姿匍匐

高姿匍匐為肘部和膝部同時(shí)支撐身體，依次前移左肘和右膝，交替前移?？蓪⒄麄€(gè)過(guò)程分為右膝蹬地階段（T1）和抬腿階段（T2），如圖8所示。T1階段時(shí)，右側(cè)膝部開(kāi)始與地面摩擦，與地面之間的作用力逐漸增大。T2階段左肘支撐右膝上抬，左膝開(kāi)始與地面作用使肢體前移，故此階段右膝所測(cè)壓力逐漸減小，理應(yīng)減小到0，但是膝蓋彎曲時(shí)與薄膜壓力傳感器產(chǎn)生微弱作用，導(dǎo)致仍有壓力記錄。取壓力峰值的平均值為177.7 N。

2.3.5 臥 倒

臥倒動(dòng)作的過(guò)程為左腳先向前邁進(jìn)一步，上肢前傾，按左膝、左肘、左小臂的順序著地，然后轉(zhuǎn)體，此時(shí)右膝與地面發(fā)生碰撞，全身伏地。當(dāng)轉(zhuǎn)體伏地時(shí)，右膝會(huì)受到地面的碰撞，此時(shí)膝蓋與地面產(chǎn)生沖擊力。由于該沖擊力為瞬時(shí)沖擊力，故此時(shí)所測(cè)壓力即為該動(dòng)作下的峰值壓力，記錄受試者的受力情況，取其峰值的平均值為232.4 N。

3 不同囊壓下的緩沖仿真分析

若是以實(shí)驗(yàn)的方法，將上述所測(cè)的峰值力直接撞擊氣囊，考慮到難以掌控撞擊力的力度大小，且涉及的作訓(xùn)動(dòng)作較多，預(yù)設(shè)的氣囊囊壓范圍較大，探究不同囊壓的氣囊緩沖效果較難，故采用仿真分析的方法。在仿真軟件ABAQUS中模擬不同氣囊壓力下的氣囊，將峰值力作為施加在氣囊表面的載荷力，對(duì)氣囊緩沖過(guò)程中的受力形變等進(jìn)行研究分析。

3.1 防護(hù)部位的氣囊建模

以膝部中的防護(hù)氣囊為研究對(duì)象，建立有限元模型，并利用Hypermesh軟件對(duì)該模型劃分網(wǎng)格，最后再導(dǎo)入軟件ABAQUS中完成氣囊的材料參數(shù)設(shè)置。該氣囊模型尺寸與實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸一致，為283 mm×243 mm，包括若干個(gè)長(zhǎng)方形腔體和中間的圓形腔體，每個(gè)腔體的尺寸為237 mm×25 mm，圓形腔體的半徑為35 mm，膝部氣囊的有限元網(wǎng)格模型如圖9所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 氣囊仿真形變效果

利用ABAQUS的Fluid cavity功能模擬氣體行為［16］，不考慮氣體溫度變化的影響，采用理想氣體方程來(lái)描述氣體的體積與壓力關(guān)系進(jìn)行模擬分析。根據(jù)作訓(xùn)動(dòng)作分為4組仿真實(shí)驗(yàn)，將4個(gè)動(dòng)作中所測(cè)得的峰值壓力作為外部載荷力，施加在不同初始囊壓的氣囊表面上。在不同的氣囊囊壓下進(jìn)行仿

真測(cè)試，具體情況如表2所示。

本文以低姿匍匐為例進(jìn)行氣囊仿真形變效果的分析。圖10為基于低姿匍匐的峰值載荷力，氣囊在不同囊壓下的緩沖形變效果與應(yīng)力云圖。氣囊形變是氣囊體積和外界載荷力的共同結(jié)果，載荷力一定時(shí)，隨著氣囊囊壓增加，氣囊表面受到的應(yīng)力在逐漸增大。同時(shí)氣囊受外力彎曲變化逐漸減小，這是因?yàn)闅饽业木彌_性能隨著氣囊囊壓的增加而提升。

從圖10可以看出，囊內(nèi)壓力增加，由于氣囊的緩沖作用及氣囊體積在不斷地增加，氣囊彎曲形變程度在逐漸變小。在囊內(nèi)氣壓達(dá)到20 kPa前，氣囊的形變彎曲程度在明顯減小，這說(shuō)明氣囊對(duì)作用力的防護(hù)效果顯著增加。30～60 kPa，氣囊彎曲程度沒(méi)有較大區(qū)別，這是因?yàn)榇藭r(shí)氣囊囊壓的增加，雖然對(duì)氣囊緩沖性能有影響，但是這個(gè)區(qū)間的氣囊囊壓的緩沖效果區(qū)別不夠明顯，或者由于氣壓增大氣囊體積增加，故不如前20 kPa的彎曲形變效果明顯。

3.2.2 氣囊體積變化

圖11是在4個(gè)作訓(xùn)動(dòng)作下，不同氣囊囊壓的氣囊體積（Fluid Cavity Volume，CVOL）變化曲線。分析可知，氣囊體積總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這是因?yàn)闅饽以诓粩喑錃馀蛎?。從時(shí)間角度來(lái)看，氣囊體積曲線在前面的時(shí)間段上升較為波折，到達(dá)一定時(shí)間后曲線開(kāi)始平穩(wěn)。分析認(rèn)為這是因?yàn)椴ㄕ蹠r(shí)間段氣囊氣壓尚小，氣囊的緩沖作用對(duì)壓力吸收效果不佳，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定時(shí)間后，氣囊開(kāi)始對(duì)壓力的緩沖吸能明顯提高，此時(shí)作用力對(duì)氣囊體積影響較小，氣囊體積開(kāi)始平穩(wěn)增加直到穩(wěn)定。從不同氣囊體積角度來(lái)看，5～10 kPa與20～60 kPa的氣囊體積曲線相比，前者曲線更加波動(dòng)且波折時(shí)間段較長(zhǎng)，分析認(rèn)為這是因?yàn)榍罢叩哪覊悍秶c后者相比，緩沖作用較差。

4 不同囊壓的氣囊緩沖性能比較分析

4.1 氣囊模型外力做功

圖12為外部載荷做功（External Work，ALLWK）變化曲線。外部載荷的主要是指來(lái)自外界對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的約束力

與外力，這里的外力做功主要是來(lái)自氣囊表面上施加的載荷做功。結(jié)合能量公式（1）（2）［16］與圖12可以看出，模型的能量可以分為外力功輸入部分及輸出部分，輸出部分包括流體腔能量、模型內(nèi)能、動(dòng)能等。

從時(shí)間上看，曲線呈幅值波動(dòng)狀。這主要是因?yàn)樵撃Ｐ筒捎脛?dòng)力顯示分析方法，非靜止平衡狀態(tài)下，物理量隨時(shí)間變化會(huì)有波動(dòng)。結(jié)合式（1）（2）分析，在氣囊不同囊壓下，外力做功有先增加后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)闅饽冶砻嫠艿降膲毫Σ粩嘣黾樱瑢?dǎo)致外力做功也隨著不斷增加，但是隨著氣囊膨脹對(duì)外力緩沖吸能作用的加強(qiáng)，外部載荷能量開(kāi)始減少，逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)能、動(dòng)能、摩擦耗損能等能量。因此，此階段的外力功在逐漸減小。曲線的波谷點(diǎn)即氣囊模型的最小外力功，此時(shí)的緩沖性能達(dá)到最佳。

4.2 不同動(dòng)作下氣囊囊壓的防護(hù)效果分析

綜上分析可知，當(dāng)氣囊模型達(dá)到最小外力功時(shí)緩沖性能最佳，故記錄氣囊囊壓的最小外力功，并對(duì)作訓(xùn)動(dòng)作、氣囊充氣壓力和最小外力功進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。各個(gè)作訓(xùn)動(dòng)作下，不同

囊壓對(duì)應(yīng)的最小外力功如圖13所示。由圖13可以看出，控制氣囊囊壓這一變量，由于作訓(xùn)動(dòng)作不同，隨著峰值力的增加，最小外力功在不斷增加;控制作訓(xùn)動(dòng)作這一變量，最小外力功隨著氣囊囊壓的增加基本在逐漸減少，40～60 kPa相差不大，甚至當(dāng)60 kPa時(shí)最小外力功略有上升，分析認(rèn)為這是與該氣囊的極限充氣壓力有關(guān)。

圖13 各個(gè)作訓(xùn)動(dòng)作下不同囊壓的最小外力功

Fig.13 Minimum external force work of different bladderpressures under training movements

將作訓(xùn)動(dòng)作、氣囊囊壓作為自變量，最小外力功作為因變量，采取單因素方差分析和事后多重比較的方法來(lái)判斷氣囊囊壓和作訓(xùn)動(dòng)作是否對(duì)最小外力功有顯著性差異。表3為主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)，用來(lái)判斷對(duì)因變量是否有顯著影響。表4為SNK檢驗(yàn)后的結(jié)果，即對(duì)氣囊囊壓之間進(jìn)行兩兩比較，以判斷氣囊充氣壓力與最小外力功的具體關(guān)系。從表3可以看出，作訓(xùn)動(dòng)作和氣囊囊壓的Sig.值均小于0.05，說(shuō)明作訓(xùn)動(dòng)作和氣囊囊壓均對(duì)因變量最小外力功主效應(yīng)顯著;偏η2越大，說(shuō)明效應(yīng)量越大，可以看出氣囊囊壓比作訓(xùn)動(dòng)作對(duì)因變量的主效應(yīng)更明顯。由表4中關(guān)于氣囊囊壓的SNK法比較結(jié)果可知，氣囊囊壓水平可以分為三類(lèi)：囊壓在5 kPa時(shí)，緩沖性能較差;囊壓在10 kPa時(shí)，緩沖性能一般;囊壓在20～60 kPa，緩沖性能較好。其中當(dāng)氣囊囊壓為50 kPa時(shí)，最小外力功均值最低，此時(shí)緩沖吸能作用最好。

5 結(jié) 論

本文基于4種作訓(xùn)動(dòng)作，探討了氣囊囊壓對(duì)作訓(xùn)褲中膝部氣囊防護(hù)效果的影響。針對(duì)不同作訓(xùn)動(dòng)作下膝部受到的作用力，采用薄膜壓力傳感器對(duì)不同動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行壓力測(cè)試。同時(shí)利用仿真分析的方法，模擬不同囊壓的氣囊在壓力峰值作用下的緩沖吸能效果。比較氣囊模型的最小外力功和相應(yīng)的氣囊囊壓，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可得到以下結(jié)論。

1） 無(wú)論哪種作訓(xùn)動(dòng)作，氣囊囊壓與最小外力功顯著相關(guān)，且隨著氣囊囊壓上升，最小外力功逐漸變小，說(shuō)明氣囊的緩沖吸能效果在逐漸提高。但是當(dāng)氣囊囊壓到達(dá)一定值之后，最小外力功有所增加，表明其緩沖性能隨著氣囊囊壓的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。

2） 通過(guò)多重檢驗(yàn)的方法對(duì)氣囊囊壓之間進(jìn)行比較。根據(jù)緩沖吸能性能的差異，可以將氣囊囊壓分為三類(lèi)。分析可知，最小外力功在囊壓為50 kPa時(shí)達(dá)到最低值，故當(dāng)氣囊囊壓設(shè)置為50 kPa時(shí)緩沖效果最佳。

參考文獻(xiàn)：

［1］楊森， 夏磊， 馬珍珍， 等. 某部隊(duì)近5年軍事訓(xùn)練傷調(diào)查分析［J］. 解放軍醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)， 2021， 42（10）： 1030-1034.

YANG Sen， XIA Lei， MA Zhenzhen， et al. A retrospective analysis in military training injuries in recent 5 years in a group army［J］. Academic Journal of Chinese PLA Medical， 2021， 42（10）： 1030-1034.

［2］周青陽(yáng)， 周保華， 楊祖榮， 等. 某部2019年軍事訓(xùn)練傷監(jiān)測(cè)報(bào)告分析［J］. 西南國(guó)防醫(yī)藥， 2020， 30（12）： 1151-1153.

ZHOU Qingyang， ZHOU Baohua， YANG Zurong， et al. Analysis of a monitoring report of military training injury of a battalion in 2019［J］. Medical Journal of National Defending Forces in Southwest China， 2020， 30（12）： 1151-1153.

［3］王磊， 許文靜， 資力， 等. 武警部隊(duì)官兵膝關(guān)節(jié)MRI檢查結(jié)果分析［J］. 武警醫(yī)學(xué)， 2019， 30（12）： 1075-1078.

WANG Lei， XU Wenjing， ZI Li， et al. MRI results of knee joints of Armed Police Force［J］. Medical Journal of the Chinese People’s Armed Police Forces， 2019， 30（12）： 1075-1078.

［4］MULLER S L， GUNDLACH N， BOCKELMANN I， et al. Physical fitness as a risk factor for injuries and excessive stress symptoms during basic military training［J］. International Archives of Occupational & Environmental Health， 2019， 92（6）： 837-841.

［5］杜子文， 賈新卷， 董藝， 等. 智能氣囊防護(hù)服的高墜測(cè)試試驗(yàn)研究［J］. 工業(yè)安全與環(huán)保， 2022， 48（12）： 28-32.

DU Ziwen， JIA Xinjuan， DONG Yi， et al. Study on high fall test of intelligent airbag protective suit［J］. Industrial Safety and Environmental Protection， 2022， 48（12）： 28-32.

［6］張文龍， 屈純， 付文斌， 等. 穿戴式老年人跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 中國(guó)老年學(xué)雜志， 2018， 38（15）： 3832-3836.

ZHANG Wenlong， QU Chun， FU Wenbin， et al. Design of the wearable fall protection airbag system for the elderly［J］. Chinese Journal of Gerontology， 2018， 38（15）： 3832-3836.

［7］溫金鵬， 薛江， 張思才. 固定排氣口型氣囊沖擊減緩特性研究［J］. 振動(dòng)、測(cè)試與診斷， 2018， 38（2）： 387-393.

WEN Jinpeng， XUE Jiang， ZHANG Sicai. Study on impact mitigation characteristics of fixed exhaust airbag［J］. Journal of Vibration， Measurement & Diagnosis， 2018， 38（2）： 387-393.

［8］張全學(xué)， 楊威， 黃恩光. 沖擊載荷作用下某型氣囊緩沖性能影響研究［J］. 裝備環(huán)境工程， 2022， 19（4）： 117-123.

ZHANG Quanxue， YANG Wei， HUANG Enguang， et al. Effect of impact load on the buffering performance of a certain type of airbag［J］. Equipment Environmental Engineering， 2022， 19（4）： 117-123.

［9］楊威， 屈純， 毛龍. 氣囊壓力對(duì)跌倒防護(hù)氣囊緩沖效果的實(shí)驗(yàn)研究［J］. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)， 2021， 38（4）： 1738-1744.

YANG Wei， QU Chun， MAO Long. Experimental study of the airbag pressure on the cushioning effect of falling protective airbag［J］. Chinese Journal of Applied Mechanics， 2021， 38（4）： 1738-1744.

［10］葉雨微， 郭曉芳. 基于功能性的防護(hù)作訓(xùn)服優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］. 服裝學(xué)報(bào)， 2016， 1（1）： 85-89.

YE Yuwei， GUO Xiaofang. Protective training uniform optimization design based on functionality［J］. Journal of Clothing Research， 2016， 1（1）： 85-89.

［11］陳凌嫻， 李俊， 王敏. 護(hù)膝防護(hù)性能及其功能設(shè)計(jì)研究進(jìn)展［J］. 毛紡科技， 2022， 50（3）： 117-123.

CHEN Lingxian， LI Jun， WANG Min. Research progress of the protection performance and functional design of kneepad［J］. Wool Textile Journal， 2022， 50（3）： 117-123.

［12］張峻霞， 張子倩， 邵洋洋， 等. 基于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的護(hù)膝設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)［J］. 包裝工程， 2020， 41（24）： 1-7.

ZHANG Junxia， ZHANG Ziqian， SHAO Yangyang， et al. Evaluation of kneepad design based on sports biomechanics［J］. Packaging Engineering， 2020， 41（24）： 1-7.

［13］王向前. 從生物力學(xué)看低姿匍匐訓(xùn)練［J］. 軍事體育進(jìn)修學(xué)院學(xué)報(bào)， 2012， 31（1）： 79-82.

WANG Xiangqian. Training of creeping in low position from biomechanics［J］. Journal of PLA Institute of Physical Education， 2012， 31（1）： 79-82.

［14］WIENER S L， ANDERSSON G B J， NYHUS L M， et al. Force reduction by an external hip protector on the human hip after falls［J］. Clinical Orthopaedics and Related Research， 2020， 398： 157-168.

［15］于曉坤， 關(guān)娟娟， 羅洋. 女性老年人髖關(guān)節(jié)抗沖擊保護(hù)褲裝的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)［J］. 東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2020， 46（5）： 733-739.

YU Xiaokun， GUAN Juanjuan， LUO Yang. Design and development of anti-impact hip protection pants for elderly female［J］. Journal of Donghua University （Natural Science）， 2020， 46（5）： 733-739.

［16］許月杰， 曾攀， 雷麗萍， 等. 充氣柱結(jié)構(gòu)壓縮過(guò)程的非線性流固耦合分析［J］. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)， 2013， 21（5）： 918-926.

XU Yuejie， ZENG Pan， LEI Liping， et al. Nonlinear flow-solid coupling analysis of compression process of inflatable tube structures［J］. Journal of Basic Science and Engineering， 2013， 21（5）： 918-926.