中圖分類號：TS941.71 文獻標志碼：A 文章編號：1009-265X（2025）07-0099-10

防彈背心作為防護裝備可有效保護士兵、戰(zhàn)地記者及醫(yī)護人員安全，現有的防彈背心因重量大、結構設計不合理，導致壓力分布不均，影響穿著舒適性[1]。根據防彈層材料的不同，防彈背心可分為硬質與軟質兩類。相比于硬質防彈背心，軟質防彈背心雖在防護性能上稍顯不足，但由于輕便舒適的優(yōu)勢，成為軍警的常用裝備。

國內外的學者對防彈背心的舒適性以及關鍵部位防護范圍做了不同程度的研究。李金鹿等研發(fā)了一種新型充氣防護散熱片，該散熱片形狀和防彈插板類似，穿在防彈衣的里面能夠提高穿著的熱濕舒適性。張輝等[3]發(fā)現適當控制防彈背心松量，并選擇合適的內層材料，可以有效地改善防彈背心的衣內濕度，提高穿著舒適性。Breeze等[4]對英國武裝部隊人員進行計算機斷層掃描，確定了軍事防彈衣需要覆蓋的醫(yī)療解剖結構為心臟、大血管、肝臟和脾臟。Summers等5確定了性別對胸腹器官邊界的影響，得出了男性和女性參與者的重要器官覆蓋不足，提出防彈背心應實現更廣泛的覆蓋范圍。這些學者多是從熱濕舒適性以及覆蓋范圍進行了研究，針對壓力舒適性的研究較為匱乏，尤其是從防彈背心結構設計角度深入探討的研究更為少見。

合理的結構設計能夠使防彈背心的壓力分散，提高服裝整體的穿戴舒適性，因此了解結構因素與壓力舒適性的關系對提高防彈背心的舒適性有重要意義。

本文根據人體解剖學中重要器官的分布位置，結合相關行業(yè)標準對防彈層形狀和尺寸進行設計；從人體工學的角度，對防彈背心外罩款式和結構進行了優(yōu)化設計；對防彈背心進行三維建模和壓力測試，研究防彈背心外罩關鍵部位結構對人體壓力舒適性的影響及影響因子的最佳水平和顯著性;通過制作樣衣并測試壓力來驗證模型的準確性，以期為提高防彈背心的舒適性提供一定的參考。

1 軟質防彈層結構設計

據研究，戰(zhàn)爭傷亡的 7%～17% 涉及到胸腹部[6-7]在中國利器襲警事件中，一線警察胸腹受傷占比47%^[8] ，在戰(zhàn)爭中，因胸部受傷而死亡的概率達 24% 240% [9]，因此對于胸腹部的保護尤為重要。

防彈背心主要是由防彈層和防彈外罩組成。防彈層由防彈材料構成，其主要功能是吸收和消散能量，從而有效阻止彈頭的穿透。防彈層的尺寸設計影響防彈背心外罩的結構設計，過大的防彈層會增加背心的重量，影響穿著者的舒適性，防彈層過小會導致身體的某些部位暴露在外，無法提供足夠的防護，因此設計合適的防彈層尺寸是非常重要的。

1. 1 重要防護器官防護等級

為了兼顧防護性與穿著靈活性，需要在防彈背心系統(tǒng)的設計與開發(fā)時全面了解重要器官的防護優(yōu)先等級及位置。已有研究表明人體解剖結構可以分為“重要的”和“需要的”?！爸匾摹苯馄式Y構指的是如果受損可能在一小時內導致死亡的器官，如心臟、大血管、肝臟和脾臟，應提供保護。“需要的”結構是指如果受損可能會導致嚴重或長期損傷的結構，如肺、胸腰段脊髓和腎臟、胰腺，應盡量提供保護[4]。重要的解剖結構在防護設計中具有核心地位，故本文主要是對“重要的”解剖結構進行防護。

1. 2 重要防護器官位置

組成大血管之一的主動脈連接人體重要解剖結構。主動脈的最高點為主動脈弓，最低點為主動脈的分叉。主動脈弓的位置與頸靜脈切跡有關，頸靜脈切跡一般位于主動脈弓上方，主動脈分叉最接近的骨骼標志為髖部髂嵴的上緣[4]。臨床上常用骨骼或肌肉的某些部位形成的隆起或凹陷，確定內部器官的大致位置。頸靜脈切跡位是胸骨柄凹陷的下緣，在人體上可以用手觸摸到，主動脈分叉的人體表面標志為肚臍。因此確定防彈層的基本垂直長度為頸靜脈切跡（胸骨柄凹陷處）到髂嵴的上緣（肚臍）的距離，基本水平寬度為肝臟、脾臟之間的水平距離，重要的解剖結構分布以及與人體骨骼之間的關系如圖1所示。

圖1重要的解剖結構分布以及與人體骨骼之間的關系Fig.1Distribution of essential anatomical structures andtheirrelationshipto the humanskeleton

1.3 防彈層尺寸設計

本文選定男性中間體 170/88A 作為實驗對象，選取符合該號型的10名男大學生為測量對象，通過馬丁計測法測量胸骨柄凹陷處到肚臍的距離，計算平均值 37cm 作為防彈層的基本垂直長度。Breeze等[4]通過計算機斷層掃描得出肝臟、脾臟之間的水平距離為 24.6～29.4cm ，平均值為 27cm ，故設計基本水平寬度為 27cm 。為了使其邊緣防護效果更好，參考《警用防彈衣》（GA141—2010）關于彈著點的位置要求，暫設定邊緣加寬 5cm 。因為前片的防彈層在人體頸靜脈切跡處，再加長就會阻礙脖子的活動，故前片的防彈衣只在下緣加長。后片的防彈衣在其前、后各加長 5cm ，側邊的寬度大于 5cm ，故不再加寬，具體結構設計如圖2所示。

圖2防彈層的尺寸設計

Fig.2Dimension design of bulletproof layer

2 軟質防彈背心外罩設計

防彈背心外罩是放置防彈層部件的載體，它影響人體穿著的舒適性。防彈背心的穿著舒適性與防彈背心外罩的款式和結構有著密切的關系。

2. 1 軟質防彈背心外罩款式設計

防彈背心的首要功能是對人體重要器官進行提供有效的防護，其次是要考慮穿著舒適性，減少對穿戴者活動的限制。為了覆蓋住大血管的上端的主動脈弓，同時保持防彈層的完整性，防彈背心領型設計為圓領，不設計前開襟，背心從頭部套入。為了方便人們穿脫，防彈背心前、后設計為分體的兩片，腰部使用魔術貼粘合固定。背心的前片和后片均為雙層面料，其中內層面料通過魔術貼設計開口，便于取放防彈層、清潔防彈背心外罩等，其款式圖如圖3所示。

2.2 軟質防彈背心外罩結構設計

服裝原型是服裝結構設計的基礎紙樣模板，東華男裝原型是符合中國人體體型的紙樣，防彈背心的結構設計在東華男裝原型的基礎上進行。防彈背心外罩為貫頭型，前后領圍線之和必須大于等于頭圍。原型中的領圍太小，故需要增加橫、豎開領來擴大領圍。服裝松量是人體著裝舒適性的一個重要因素，防彈衣外罩通過腰帶調節(jié)松量。胸圍、腰圍的松量不宜過大，否則防彈層容易在人體上移動，貼體服裝的胸圍松量為 10cm ，故設計外罩胸圍的松量為0～10cm ，腰圍松量和胸圍設計相同， 170/88A 的防彈背心規(guī)格尺寸設計為胸圍 88～98cm 、腰圍 74～ 84cm 、領圍 56.4cm ，具體結構設計如圖4所示。

圖3防彈背心外罩款式 Fig.3Style of bulletproof vest cover

圖4防彈背心外罩結構設計

Fig.4Structural design of bulletproof vest cover

3 軟質防彈背心三維建模與壓力測試

3.1 軟質防彈背心三維建模

CLO3D是一款三維試衣建模軟件，該軟件可調整模特細部尺寸，創(chuàng)建逼真的虛擬服裝，模擬布料的質感、流動性[1]。用戶可以通過拖放、調整參數等方式，快速構建和修改，實現與打板軟件的聯動。該軟件具有經濟高效、節(jié)省時間成本、實時觀察等優(yōu)點[11] 。

3.1.1 虛擬模特尺寸設置

參考《服裝號型男子》（GB/T1335.1—2008）中 170/88A 的控制尺寸對CLO3D中的虛擬模特尺寸進行更改，主要尺寸為身高 170cm. 胸圍 88cm 腰圍 74cm 臀圍 90cm 頸根圍 36.8cm 、總肩寬 43.6cm 。

3.1.2 軟質防彈背心面料設置

軟質防彈層多采用具有高模量、低密度、耐沖擊等優(yōu)異性能的芳綸。軟質防彈背心外罩材質常用的面料為滌棉，其抗撕裂程度以及柔軟性較好。測量實際面料的物理性能，再根據測量結果調整CLO3D系統(tǒng)預設的面料參數，以獲得與實際性能更為接近的模擬參數，具體參數設置見表1。

表1面料物理性能

Tab.1Physical properties of fabric

3.1.3 軟質防彈背心結構的正交實驗設計

改變服裝的結構會影響穿著的舒適性，研究表明小肩寬[12]、腰帶寬度[13]會影響穿著時的壓力舒適性。腰圍省量與人體的貼合度有關，腰圍省量越大，服裝與人體越貼合，背心對腰部的摩擦力就越大，故選取這三個因素研究服裝結構對人體壓力的影響。小肩寬的最大范圍設定主要考慮到內穿衣服的厚度以及領圍的松量。內穿衣服厚度一般為 0.1～ 1.5cm ;為了便于人體穿著，防彈衣的領圍應大于人體頭圍，在原型的基礎上沿著肩線從頸側點向外擴2cm ，故小肩寬的最大取值為原型的小肩寬 14cm 縮減 2cm ，即 12cm 。小肩寬的最小取值主要考慮到肩部的壓力舒適性，一般來說小肩寬越寬，肩部的壓力越小。經過預處理實驗發(fā)現當小肩寬為 6cm 時，肩部的壓力明顯，肩寬不適宜取更小的值。綜合考慮小肩寬設計范圍為 6～12cm 。

合適的腰寬可以讓防彈背心更好貼合穿戴者，防止滑動。腰帶具有調節(jié)與固定的作用，當腰寬過窄時，不僅起不到固定的作用，衣服下擺也會起翹，影響防護效果和美觀性。經過預實驗處理發(fā)現腰寬最低在 12cm 時，效果較好，腰寬最寬為背心側縫的長度 26.5cm ，綜合考慮設計腰寬的范圍為 11.5～ 26.5cm 。腰圍省量為人體的胸圍減去防彈層的長度和厚度，經計算腰圍省量最多為 10cm ，留 1cm 作為松量，設計腰省的范圍為 0～9cm ，省的位置在里料的前片中間以及后中處。將每個因素范圍劃分為四個水平，其正交實驗因素水平表如表2所示。圖5為不同肩寬、不同腰寬、不同省量的防彈背心外罩結構繪制方法。

表2 正交實驗因素水平

Tab.2Levels of factors in orthogonal experiments

圖5防彈背心外罩結構設計方法

Fig.5Method for structural design of bulletproof vest cover

3.1.4 樣板導入與虛擬縫紉

本文使用CAD軟件繪制二維防彈背心外罩結構，繪制完成后將樣板文件導入CLO3D軟件，防彈背心的面料和里料均采用滌棉，在模擬之前將對應的面料屬性調整好。將樣板導入后，為了避免穿模，按照防彈背心的實際層次關系從里到外依次進行模擬。首先安排防彈背心里料的板片并縫合對應的肩線，模擬完成后再進行防彈層的模擬；然后模擬防彈背心外罩的面料，并縫合面料、里料；最后將腰帶縫合在一起。模擬完成之后為提高服裝品質將粒子間距設置為 5mm 。虛擬縫紉界面如圖6所示。

3.2 軟質防彈背心壓力測試

3.2.1 壓力測試點的選取

從解剖學以及人體工學的角度進行考慮壓力測量點位置，壓力測量點的選取要全面，能夠反映整體壓力分布。根據重要骨骼點位置、胸腹部主要肌肉位置以及其運動性等選取了10個壓力測試點，其中肩部的點為 E₁-E₃ ，胸部的點為 ，背部的點為G ，腰部的點為 H_?1-H_?4 ，具體如圖7所示。

圖6虛擬縫紉界面

圖7壓力測試點

Fig.7Pressure measuring points

3.2.2 壓力測試過程

在自然站立的姿勢下，根據壓力測量點的位置進行壓力的測量，每個壓力點測量3次，取平均值作為壓力值。在CLO3D中能通過壓力頁面觀察人體所受壓力大小，圖8為正交實驗的第一組參數壓力模擬結果，藍色區(qū)域壓力較小，紅色區(qū)域壓力較大，從圖8中可以看出肩背部的壓力較大，主要原因是防彈層的重量較重，其次是不合理的結構設計，因此研究服裝結構因素對防彈背心壓力舒適性的影響是很有必要的。

Fig.6Virtual sewing interface

圖8 壓力模擬結果

Fig.8Pressure simulation results

4 結果與分析

4.1 直觀分析

每個實驗會產生多個結果，不同因素對實驗結果的影響程度存在差異。通過合理設置權重，能夠更加準確地反映各因素對結果的貢獻，故采用加權綜合評分法將多指標轉化為單指標進行結果分析。壓力點主要位于人體肩背部、胸部及腰部，通過專家賦權法為各個部位確定權重，權重總和為1分。選取研究方向為服裝結構設計與數字化技術的5名專家組成評審小組，每位專家對肩背部、胸部、腰部壓力測試點的重要程度進行量化分配，滿分為10分，得分結果如表3所示。根據打分結果計算出權重，權重保留一位小數。

表3不同評價指標得分與權重

Tab.3Scores and weights of different evaluation indicators

對打分結果進行等級處理，并采用Kendall協同系數對五位專家的評價標準進行一致性檢驗，結果顯示，Kendall協同系數 Wgt;0.8 ，接近于1，顯著性水平為0.01，故認為各個專家的評價標準具有一致性。將各指標加權得出綜合壓力值，其正交實驗結果如表4所示。

從表4中可以直觀看出，第10組實驗的綜合壓力值最小，其因素組合為 A₃B₂C₄ 。表中 K₁，K₂，K₃，K₄ 分別表示綜合壓力值的數據在水平1、2、3、4下的總和， k₁，k₂，k₃，k₄ 分別表示綜合壓力值的數據在水平1、2.3、4下的平均值， R 值表示 k 的極差。極差值越大說明該因素的影響大，是主要因素，反之是次要因素。表中各因素的極差值按從大到小的排序依次為A（小肩寬） ?_?C （腰圍省量） ?_?B （腰帶寬度） Ω，D （空列）。

表4正交實驗安排與結果

Tab.4Arrangement and results of orthogonal experiments

根據表4繪制綜合壓力值的數據的水平趨勢圖，從圖9中可以看出隨著小肩寬的增加，綜合壓力值呈現先降低后增加的趨勢，當小肩寬為第三個水平 10cm 的時候，綜合壓力值最小，低于 10cm 或者高于 10cm 導致綜合壓力值變大，說明小肩寬為10cm 是比較理想的水平。隨著腰帶寬度的增加，綜合壓力值的趨勢呈現出先下降后上升的趨勢，腰帶寬度為第三個水平 21.5cm 的時候，綜合壓力值比較小。腰圍省量與綜合壓力值的關系為負相關。腰圍省量由 0cm 到 9cm 時，綜合壓力值不斷下降，第四個水平的綜合壓力值最小，故從水平趨勢圖中得出的最佳組合為A3B3C4。

通過直接觀察16組實驗的綜合壓力值得出第十組實驗即 A₃B₂C₄ 數值最低。而通過水平趨勢圖得出組合為 A₃B₃C₄ 數值最低，而這個組合是正交實驗組合中所沒有的，故需要對該實驗做另外的補充實驗。將 A₃B₃C₄ 的結構組合進行重新模擬并測量壓力值，最終的綜合壓力值為 84.427kPa ，略低于A₃B₂C₄ 組合的 87.512kPa ，而其他組合的綜合壓力值均高于 A₃B₃C₄ ，故實驗的最優(yōu)組合為 A₃B₃C₄ ，由圖10可以看出，正交實驗第一組的肩背部壓力為紅色，壓力較大，最優(yōu)組合的肩背部壓力為藍色壓力較小，壓力分配更均衡。

圖9各個因素水平趨勢圖

Fig.9Trend chart of various factor levels

圖10正交試驗第一組與最優(yōu)組合壓力對比圖

Fig.10Comparison chart of pressure between the first group and theoptimal combination in orthogonal experiments

4. 2 方差分析

直觀分析雖然簡單易懂，但無法估計誤差的大小，也不能準確反映各因素對實驗結果的影響的顯著性，因此需要對實驗結果進行方差分析[14]。將數據導入SPSS進行方差分析，其結果如表5所示。從表5中可以看出，3個因素對防彈背心的壓力舒適性均有顯著影響，其中小肩寬的顯著性為 0.003lt; 0.01，具有極顯著，顯著性按從大到小的排序依次為A（小肩寬）C（腰圍省量） ?^B （腰帶寬度）。

表5方差分析結果

Tab.5Results of ANOVA

注：“**”表示在 α=0.01 水平上顯著，“*”表示在 α= 0.05水平上顯著。

由于3個因素對防彈背心的壓力舒適性均有顯著影響，故需要對各個因素的不同水平進行多重比較。文中使用Duncan法進行多重比較，正交實驗方差分析的多重比較結果如表6所示，從表中可知 A₁ 與 A₂、A₃、A₄ 之間均存在顯著性， B₁ 與 B₃?B₂ 與 B₄ 、B₃ 與 B₄ 之間差異顯著， C₁ 與 C₄C₂ 與 C₄ 之間差異顯著，其余兩兩之間水平差異不顯著。

表6正交實驗方差分析多重比較

Tab.6Multiple comparison in ANOVA of orthogonal experiments

注：同行數值，肩標不同小寫字母表示差異顯著（ Plt; 0.05），相同或無字母表示差異不顯著（ Pgt;0.05， 。

綜合正交實驗的直觀分析與方差分析的結果，影響防彈背心壓力舒適性的因素排序為：小肩寬、腰圍省量、腰帶寬度，實驗的最優(yōu)組合為 A₃B₃C₄ ，小肩寬、腰帶寬度、腰圍省量對防彈背心的壓力舒適性均有顯著影響。

4.3 虛擬與真實相關性驗證

為了驗證虛擬模擬的準確性，對 A₃B₃C₄ 的組合進行樣衣的實物制作，使用與三維虛擬相同的面料進行縫制，縫制完成后在其與虛擬模特尺寸相同的人臺上進行相同位置的壓力測試。虛擬壓力與真實壓力的對比趨勢圖如圖11所示，其結果表明虛擬壓力與真實壓力趨勢類似。為得出兩者的相關性，將其數據導人SPSS進行相關性分析，結果顯示虛擬壓力值與實際壓力值之間的相關系數為0.879，且顯著性水平為0.001，表明兩者之間存在高度的相關性。

圖11 虛擬壓力與真實壓力的趨勢對比 Fig.11 Trend comparison between virtual pressure and actual pressure

虛擬壓力與真實壓力的差異主要是因為面料的性能。虛擬面料的性能與真實面料的性能差值一般為 10% 左右。虛擬面料距離真實面料還有一定的距離，但是整體趨勢類似，這也證明了虛擬壓力測試的準確性。

5結論

本文首先從解剖學以及人體工學的角度對防彈層尺寸進行了設計，通過合理的結構設計，在不影響防護能力的前提下，提高人體活動的靈活性，達到防護性與機動性的平衡。然后對防彈衣外罩的款式進行設計，同時對男士軟質防彈背心進行三維建模，最后研究3個結構因素對防彈背心壓力舒適性的影響，并驗證建模的準確性。主要結論如下：

a）小肩寬、腰帶寬度以及腰圍省量與防彈背心的壓力舒適性均呈顯著相關，其中小肩寬具有極顯著性。各結構因素對防彈背心舒適性的影響程度由高到低排序為：小肩寬、腰圍省量、腰帶寬度。

b）正交實驗的尺寸最優(yōu)組合為小肩寬 10cm ，腰帶寬度 21.5cm ，腰圍省量 9cm ，這為后續(xù)防彈背心外罩的結構優(yōu)化設計提供了依據！

c）將小肩寬、腰圍省量、腰帶寬度的尺寸最優(yōu)組合制作樣衣并進行壓力測試，得出虛擬壓力與實際壓力趨勢一致，二者的相關性系數為0.879，表明兩者高度相關，該研究驗證了虛擬測試的準確性。

本文僅考慮了一種靜態(tài)姿勢下對防彈背心的壓力分布，后續(xù)可研究動態(tài)姿勢對服裝壓力的影響以及主觀舒適度評價，進一步提升防彈背心的穿著舒適性。

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Influence of structural factors on pressure comfort of men' s soft bulletproof vests

TUO Wu°，LIU Siyu°，CHU Yanyan?， ZHANG Xinru\"， FAN Ruige\"， LIU Qiongyang\" （a. College of Fashion Technology；b.Research Institute of Textile and Clothing Industries，Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 451191，China）

Abstract： A buletproof vest is a type of protective equipment designed to shield the human body from injuries caused by bullets，fragments，stab wounds，and other hazards.Bulletproof vestsare widely used not only in militaryand policing applications but also play a crucialrole indaily security，among journalists，and in other highrisk situations.As the demand for personal safety protection increases，the application scope of buletproof vests has gradually expanded，driving continuous researchand technological advancements in this field.However，traditional buletproof vests suferfrom issues such as heavy weight，limited flexibility，and discomfort when worn for extended periods，which restricts their effectiveness in practical applications.Therefore，improving wearing comfort without compromising protective performance is a key focus of current research.

Pressure comfort is an important factor in measuring the wearing comfort of clothing.To enhance the pressure comfort for wearers，research into the comfort of wearing buletproof vests isconducted from the perspective of clothing design.Firstly，the priority levels for protecting vital human organs are determined，andthe size of the buletprof layer is designed basedon thedistributionof thesevital organsand theirrelationship with the human body.Secondly，the style ofthe bulltprof vest'souter cover is designed according to the functional requirements of the vestand the needs of human movement.Then，orthogonal experiments are conducted to study the effectsof narrow shoulder width，belt width，and waist dart alowance on the pressure comfort of bulletproof vests.Clothing CAD software is used to draw the structural and pattern diagrams of the bulletprof vest.The patterns are then imported intoa 3D modeling software.Before simulation，thevirtual mannequin is adjusted to thespecified dimensions，and the physical properties of the fabric are setto values close to those of real fabric.The paterns are virtuallysewn togetheracording totheactual stitching relationshipsof the bulletproof vest.Inorder to avoid penetration issues，the simulation is carried out sequentially from inside to outside according to the actual hierarchical relationship of the bulletprof vest.Finally，the pressure is measured according to the position of he pressure measurement point，and the sample vest is made to verify the accuracy of the simulation.

Results show that the narrow shoulder width， belt width，and waist dart allowance all have significant impacts on the pressure comfort of men’s soft bulletproof vests，with narrow shoulder width showing the most significant effct（p-value of O.OO3）．As narrow shoulder width and belt width increase，the overall pressure value exhibits a trend of first decreasing and then increasing，while the waist dart allowance negatively correlates with theoverall pressure value. The factors' order of influence is narrow shoulder width gt; waist dart allowance gt; belt width，and the optimal combination is a narrow shoulder width of 10cm ，belt width of 21.5cm ， and waist dart allowance of 9 cm. To verify the accuracy of the 3D modeling software，prototype vests are produced and actual pressure measurements are taken，revealing acorrelation coeficient ofO.879 between virtual and actual pressure，with asignificance level of O.001.This study provides reference for improving the comfort of protective gear and ofers theoretical support for further structural optimization of bulletproof vests.

Keywords ： three-dimensional modeling; soft bulletproof vests; structural factors; pressure comfort