摘要
近年来，随着防弹衣的更新换代，人体躯干得到了较好的保护，但是枪弹冲击防弹头盔引起头颈部的非贯穿性损伤问题日益突出，尽管头颈部只占人体表面积的12％,但头颈部的战伤概率却高达40％,且致死率也较高，因此本文对枪弹冲击下头颈部的非贯穿性损伤与防护进行了研究，主要的研究工作如下: 本论文结合头颈部有限元模型，构建了完整的手枪弹与盔-头-颈有限元模型,进行了 9mm手枪弹以300m/s、400m/s、500m/s的速度正面冲击防弹头盔的数值模拟，得到了手枪弹冲击下头颈部的动力学响应与损伤。研究表明，头部的响应是相对短时间的，颈部的响应是相对长时间的，手枪弹以300m/s、400m/s、500m/s的速度冲击防弹头盔时，额骨处最大应力分别为26.95 MPa、42.76 MPa、63.07 MPa,500m/s手枪弹冲击防弹头盔时额骨有骨折或者断裂的风险，手枪弹以不同速度冲击防弹头盔时，造成大脑TBI的概率均小于25％,手枪弹冲击防弹头盔引起颈部损伤时，颈部NIC峰值均超过了损伤阈值，虽然颈椎椎骨没有发生断裂与骨折，但是颈部的软组织会受到损伤，椎间盘前侧部分单元会发生拉伸失效，椎间盘后侧部分单元会发生压缩失效，颈部被动肌肉肌腱部分会有局部失效，颅骨与C1处的脊髓与韧带受损伤的风险较大。 对无被动肌盔-头-颈有限元模型进行300 m/s、400 m/s、500 m/s手枪弹正面冲击防弹头盔数值模拟，得到了无被动肌模型的响应。通过与有被动肌模型的响应对比发现，颈部被动肌可以通过减轻颈部的后伸幅度来减轻颈部的损伤，其中胸锁乳突肌和半棘肌受力明显，在保护颈部中起到了重要的作用，在300m/s、400 m/s、500m/s手枪弹冲击防弹头盔时，颈部被动肌可以使头部质心最大位移分别减少20.37％、14.54％、20.84％,可以使椎间盘最大应力分别减少3.42％、8.65％、20.78％。 在颈部佩戴聚氨酯材料对颈部进行防护，以C2椎骨最大位移为评价指标，对聚氨酯材料的厚度和密度进行正交试验，得到聚氨酯材料厚度和密度对防护效果的影响，通过所得数据，得到了聚氨酯材料厚度和密度防护效果响应曲面。研究表明，聚氨酯材料的最优防护厚度为12.84 mm,聚氨酯材料的最优防护密度为101 kg/m3,最优防护厚度与密度的聚氨酯材料可使得C2椎骨最大位移减少9.18％。
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