ABB 应用仿生学和生物力学 1754 - 2103 1176 - 2322 Hindawi 10.1155 / 2020/2348064 2348064 研究文章 研究背后的头盔钝伤引起的高速子弹 https://orcid.org/0000 - 0003 - 0200 - 4358 蔡 志华 1 https://orcid.org/0000 - 0003 - 4766 - 4229 黄 杏园 1 夏 云 1 https://orcid.org/0000 - 0003 - 3382 - 7293 李 Guibing 1 https://orcid.org/0000 - 0002 - 4743 - 8793 方ydF4y2Ba Zhuangqing 2 Rahimi-Gorji 默罕默德 1 机电工程学院 湖南科技大学 湘潭 中国 hnust.edu.cn 2 衣冠楚楚的医院 军队医科大学 重庆 中国 tmmu.edu.cn 2020年 19 2 2020年 2020年 22 05年 2019年 28 10 2019年 26 11 2019年 19 2 2020年 2020年 版权©2020志华Cai et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

腹部钝伤头盔(BHBT)背后的机制引起的高速子弹是很难理解的。目前,仍然是一个缺乏相应的参数和测试方法有效地评估这个损失。当前研究的目的是调查的反应人类颅骨和脑组织的加载下一颗子弹影响防弹头盔,与冲击方向的影响,被认为是影响速度和撞击器结构。人脑有限元模型可以准确地重建头皮的解剖结构,头骨,脑组织,等等,并能实际反映了大脑在高影响的生物力学响应速度被用于这项研究。的反应后端面变形(BFD),大脑位移,头骨压力,和硬脑膜压力提取从模拟的参数反映BHBT风险,和BHBT和防弹设备结构和性能之间的关系也被调查。仿真结果表明,头骨的额影响产生的BFD最多,从侧面影响方向,头骨压力高于其他方向的两倍。随着冲击速度的增加,BFD、大脑位移,头骨压力,硬脑膜的压力增加。不同结构的子弹造成的脑损伤身体不同条件下相同的动能。头骨手枪子弹造成的压力是最大的。研究结果表明,当子弹影响防弹头盔,它有一个更高的概率导致大脑位移和颅内高压。 The research results can provide a reference value for helmet optimization design and antielasticity evaluation and provide the theoretical basis for protection and rescue.

 湖南省教育委员会 18 a188 17 a068 中国国家自然科学基金 51805162 81973871 11972158 1。介绍

腹部钝伤背后头盔(BHBT)意味着,当一个高能子弹和炸药碎片影响防弹头盔,头盔是畸形的不渗透和头盔的后面暴露在大脑的力量或冲击波传播给大脑造成损害( 1, 2]。拉斐尔等人分析了超过6000例的子弹和碎片在战争、反恐、受伤和维和,发现超过70%的病人都穿着防弹头盔和其他个人防护设备,其中超过50%的大脑受伤( 3]。然而,BHBT的机制还不清楚。因此,了解BHBT的损伤机制和加强大脑的保护需要解决的紧迫问题。

研究非穿透伤在个人设备,因为它是不可能尝试住人,尸体的头实验,动物实验、模拟实验和数字模拟方法的主要方法。尸体的头骨是最相似的生物体的替代品;它可以用于组织的生物力学响应和损伤机理的研究。然而,新鲜的和完整的尸体标本的来源非常有限,收购样本是非常困难和昂贵的,还有可怜的可重复性。动物实验模型可以模拟生物组织的反应在一定程度上影响下,但也有一些不同的动物和人体解剖结构和组织反应。有限元法在一定程度上可以取代生物力学测试和研究损伤的头骨和大脑的各个部分。在之前的十年,Jazi et al。 4杨和戴),( 5),涂涂等。 6,谢霆锋et al。 7)建立了人体头部生物力学仿真模型和尸体实验用于验证;有限元法被广泛应用。

近年来,大量的学者通过各种方法建立了头部有限元模型和方法。通过几代人的努力和一代又一代,开发了有限元模型精度较高的原始简单的模型,例如,ULP [ 8)在法国路易·巴斯德大学(模型),WSUBIM [ 9)(韦恩州立大学脑损伤模型)在美国,k ( 10(终于Tekniska Hogskolan)在瑞典,UCDBTM [ 11都柏林大学](脑外伤)在爱尔兰,和GHBMC ( 12)(全球人体模型财团)。更重要的是,NRL-Simpleware头模型( 13)已经被用于探索头部受伤在军队由美国海军研究实验室。

目前,许多学者进行了研究参数的头盔保护。涂涂等。 6),Rodriguez-Millan et al。 14],Palta et al。 15),使用的结合实验和仿真,研究了损伤机制头盔保护一颗子弹的影响。李等人。 16)建立和人脑clay-injected仿真模型进行验证。Tham et al。 17)使用枪支进行实验和模拟光气体。海等。 18)使用长白猪和物理模型来研究不同子弹速度造成的脑损伤。拉斐尔et al。 3)进行的尸体实验子弹造成的脑损伤影响防弹头盔;帕et al。 19)使用有限元方法来研究不同子弹速度造成的伤害的头骨。更重要的是,还有其他参数的研究。例如,杨和戴 5)建立了一个人类大脑生物力学仿真模型并进行了仿真分析子弹造成的脑损伤的影响在不同的角度和不同的立场。谭et al。 20.]研究实验和数值模拟的正面和侧面弹道影响混合三世头型配备先进的作战头盔(ACH)。结果表明,人脑生物力学的有限元模型与高保真能够准确地模拟大脑的生物力学响应和损伤的影响下一颗子弹。Jazi et al。 4)建立了一个模拟人类大脑模型来研究大脑的生物力学响应当子弹影响防弹头盔。不同的大脑缓冲的参数,不同的影响的角度,不同的立场对大脑影响进行了分析。阿勒河和Kleiven 21)使用大脑的有限元模型来模拟大脑的生物力学响应的参数下头盔刚度和不同角度的影响。

本研究的目的是调查的反应人类颅骨和脑组织的加载下一颗子弹影响头盔,与冲击方向的影响,速度和撞击器结构。为了达到这个目标,一个人类大脑有限元模型可以准确地重建头皮的解剖结构,头骨,脑组织,等等,并能实际反映的生物力学响应bullet-proof-protected大脑高速冲击下被用于这项研究。

BFD,大脑的反应位移,头骨的压力,和硬脑膜压力提取模拟作为参数来反映BHBT风险;BHBT和防弹设备结构和性能之间的关系也被调查。研究结果可以提供一个更好地了解大脑的生物力学响应的加载下一颗子弹影响防弹头盔。

 2。材料和方法 2.1。建立有限元模型

头盔使用建立和验证(美国陆军高级战斗盔 22在图所示 1(一)。头盔模型用于这个研究7泡沫。泡沫模型如图 1 (b)。圆柱形泡沫的大小 150年 × 30. 毫米直径和高度。长度、宽度和高度的矩形块 90年 ∗ 55 ∗ 30. 毫米, 90年 ∗ 85年 ∗ 30. mm;元素的大小是3毫米。先进的作战头盔班轮是聚氨酯泡沫材料;垫片材料是硬泡沫与负荷率灵敏度进行应力-应变行为。根据硬质泡沫塑料材料的属性,在MAT_LOW_DENSITY_FOAM (MAT_57)用于LS-DYNA材料图书馆。材料的密度 6.1 × 10 − 8 公斤/毫米3杨氏模量是8.4 MPa,应力和应变之间的关系从一个单轴拉伸试验,应力-应变曲线如图所示 1 (c)通过MATLAB是固定的。

防弹头盔模型和子弹模型。

头盔外壳

头盔内置泡沫

泡沫材料应力-应变曲线

子弹模型

碎片,手枪和步枪子弹都是由软件构造证明(美国马萨诸塞州参数技术公司)创建一个几何模型。eight-node六面体元素用于啮合有限元预处理软件HyperMesh (Altair工程公司,特洛伊,MI,美国)。手枪子弹的元素大小是2毫米 20.]。整个模型包含21616个节点和1695个元素,和质量是8 g。分裂的有限元模型 23)使用符合美国钢铁协会的4340钢。整个模型包含14283个节点和12584个元素的质量1.13克。步枪子弹有限元模型( 24)使用7.62毫米步枪射弹的弹头分为三个部分:盔甲,钢铁核心,领导核心。整个模型包含8640个节点和5389个元素的质量10.98克。有限元模型图如图所示 1 (d)。子弹的材料参数如表所示 1。

子弹的材料参数。

抛物型 ρ (公斤/米3) E (GPa) ν 屈服应力(GPa) 切线模量(GPa)
手枪子弹( 20.] 8110年 210年 0.3 0.792 21
碎片子弹( 23] 7830年 206.8 0.3
步枪子弹盔甲( 24] 8960年 124年 0.3
步枪子弹钢铁核心( 24] 7850年 206年 0.3

大脑的有限元模型建立 25, 26)是改善,皮肤和头骨地对地的接触,和其他大脑组织正在使用一种自力接触算法。脑脊液是修改一个啤酒网在预处理过程中,材料发生了变化 ∗ MAT_ELADTIC_PLUID (MAT_1)和单元算法 ELFORM = 12 。关键字 ∗ CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_固体设置为实现结构和流体之间的耦合,所以“skull-cerebrospinal fluid-brain”有一个流固耦合关系。

 2.2。验证的有限元模型

大脑压力和头骨的大脑反应有限元模型已经验证了相关文献的基础上Cai et al。 25]。这项研究涉及大脑位移,所以brain-skull相对位移被大脑有限元模型验证参照哈代等人的实验( 27]。

C383-T3高强度额影响测试是用来评估大脑的相对位移。反头模型和选择的节点接近无损检测的位置标识符在哈代等人的实验中。节点的识别是a1-a6前肱骨顶叶区域和p1-p6后枕骨部顶叶区域;每一个标记的距离大约是10毫米。头部重心由HyperMesh和自动计算节点位置如图 2;每个节点的相对位移计算和头骨。图 3显示了平移加速度和旋转加速度来衡量哈代等人的实验在重心和作为加载条件的头骨被建模为刚性。

原理图的重心和节点。

的线性和角加速度C383-T3 [ 27]。

80 ms头运动反应过程模拟,和大脑的相对位移轨迹图所示 4。总的来说,所选节点仿真基本上是环形对头骨的运动在冲击过程中,这是符合实验获得的运动轨迹。

模拟大脑头骨相对位移。

brain-skull相对位移的模拟和实验如图 5。它可以看到从图中节点的相对位移 X 和 Z 方向基本与实验结果一致,峰值略低于实验结果。结果的差异可能是由于不同的几何和材料特性实验和有限元模型,以及实验测试点的位置的偏差。

比较的相对位移曲线的大脑C383-T3实验和仿真。

 2.3。研究方法的BHBT

因为泡沫材料是柔软,穿着防弹头盔后,大脑会有一定的压缩变形初始软泡沫。模拟,建立了泡沫有限元模型由HyperMesh预应力为了模拟防弹头盔的反应在现实环境。预应力过程来修复头部和应用重力头盔;外的泡沫将变形以适应头盔和里面的泡沫将变形以适应头部( 28]。最后构建了有限元模型与详细的解剖结构如图 6(一)和 6 (b);子弹的组装——头盔,证明人类的大脑,泡沫如图 6 (c)。我们定义之间的联系头盔和泡沫和泡沫和头皮面对面的接触。

有限元模型。

我们使用建立和验证人类大脑生物力学模型和防弹头盔有限元模型研究脑损伤与不同的参数影响的方向,速度和结构。我们测试的位置如图 7获得的变形的头盔,头骨压力(在头骨),大脑的绝对位移(大脑),和颅内压(在硬脑膜)和评估损失,相应的测试点位置如表所示 2。由于影响时间极短,固定头部模型没有考虑的问题。首先,helmet-cranial模型影响额,,,左边和右边的防弹头盔400 m / s的速度的对手的子弹来研究大脑的损伤在不同方向的影响。然后,helmet-cranial模型影响子弹在400 m / s, 420 m / s, 440 m / s, 460 m / s。helmet-cranial模型也影响了手枪子弹,子弹碎片,和步枪子弹的动能360 J的头盔来模拟不同结构在脑损伤的影响。

测量不同影响点的位置。

相应的序列号点测量的影响。

额 后 前 正确的 左
BFD 一个1 一个2 一个3 一个4 一个5
头骨的压力 B1 B2 B3 B4 B5
大脑位移 C1 C2 C3 C4 C5
颅内压 D1 D2 D3 D4 D5
3所示。结果 3.1。不同方向影响头盔变形的影响

仿真结果的手枪子弹影响防弹头盔从不同的影响方向为400 m / s如图 8。损坏头盔的形状是圆形的影响在不同的方向。如图 8(一个),BFD值输出点(输出点的位置如图 7)是不同的在不同的位置,和前面的BFD影响最大的价值在0.09毫秒(12.63毫米),和顶部碰撞在0.07毫秒(10.35毫米),向后碰撞在0.11毫秒(9.021毫米),在0.14毫秒(11.46毫米),对影响,影响在0.1毫秒(11.38毫米),结果基本上是一致的实验由Rodriguez-Millan et al。 14]。的BFD价值不同的影响方向的趋势随着时间的推移,基本上是相同的。如图 8 (b)在模型位移与时间的变化额影响,子弹接触的头盔 t = 0.01 女士,头盔开始变形,头骨开始变形 t = 0.07 女士,BFD最大到达 t = 0.09 ms。

头盔和大脑变形。

BFD(毫米)

头盔和大脑变形期间额的影响

 3.2。不同的子弹速度对脑损伤的影响

仿真结果不同的子弹速度影响防弹头盔的正确方向如图所示 9。应力云映射和大脑位移引起的颅头盖骨不同子弹速度影响防弹头盔如图 9。更高的速度和更大的BFD值,大脑位移,头骨压力,和硬脑膜的压力,更严重的是大脑的损伤。

头在不同子弹的速度响应。

颅骨应力在不同子弹速度(GPa)

大脑位移不同的子弹速度(毫米)

 3.3。不同的子弹结构对脑损伤的影响下相同的动能

在同样的360 J动能,碎片的速度是798米/秒,9毫米手枪子弹的速度是300米/秒,7.62毫米步枪的速度是256米/秒。不同的子弹结构影响防弹头盔的仿真结果如图 10。硬脑膜压力的地图不同的子弹结构影响防弹头盔如图 10 ()。硬脑膜最高压力是245.1 kPa 9毫米手枪子弹,238.2 kPa步枪子弹,和225.4 kPa的碎片子弹。三种子弹影响防弹头盔获得硬脑膜的压力输出点D1(输出点位置如图 7)如图 10 (b)。质量小片段第一硬脑膜压力变化,最后硬脑膜压力变化引起的最大质量步枪。输出点的BFD值1三种类型的子弹下影响防弹头盔如图 10 (c)。达到最大变形时,碎片是最快的子弹,子弹的手枪是第二,步枪子弹是最慢的。的最大变形程度的头盔是最大的碎片与7.1毫米子弹,紧随其后的是6.8毫米步枪子弹,和最低的手枪子弹是5.6毫米。

大脑反应在不同子弹结构。

硬脑膜的压力下不同的子弹结构(Gpa)

硬脑膜的压力在不同子弹结构

BFD不同子弹下结构

 4所示。讨论

的核心问题BHBT防弹头盔和防护性能是否能提出一个防护结构和保护方法基于真实人类的脑损伤,而目前使用的参数和方法的基础上,模拟大脑,污泥或凝胶。目前,V50方法( 16)能够准确地评估头盔的贯入阻力,但它不能有效地评估BHBT。因此,研究的重点和主要任务是评估的指标和标准BHBT然后进一步指导头盔的设计通过大量的实验中,参数的研究和优化方法。

本文建立了高精度人脑生物力学模型。LS-DYNA环境下,BHBT子弹造成的影响头盔高速模拟和验证,并分析和参数进行了研究。颅骨骨折被压力评估的头骨,和大脑损伤评估了位移和硬脑膜的压力。高速冲击下的大脑模型的仿真结果与总体趋势一致的雷蒙德et al。 29日]。结果表明,建立的大脑生物力学模型能正确反映人脑的生物力学响应;具有良好的对大脑的动态响应的敏感性不同加载条件下和不同的参数,可以提供参考BHBT评估和后续的优化设计头盔。

可以从参数研究,损害有显著差异的子弹从不同方向的防弹头盔。研究表明,BHBT BFD[有关 16]。额的BFD、后方,对的,本文从不同的影响方向,获得Rodriguez-Millan等基本上是一致的。 14和其他人。比较如表所示 3。关于BFD值随着时间的推移的趋势在不同的影响方向和模型位移随时间的变化在前方,李et al。 16),Rodriguez-Millan et al。 14),和其他人也报告了类似的行为。差异的原因可能是不同的仿真模型,几何和材料属性不同样本之间的差异,实验测试点和偏差。人类大脑生物力学模型用于本文包括头皮,硬骨组织,脑组织,软组织,接近人类大脑的实际情况。仿真结果进一步证明了模型的准确性,准确反映BHBT子弹造成的影响的生物力学响应的头盔。

BFD值不同的影响方向与文学。

额(毫米) 后(毫米) 顶部(毫米) (毫米) 左(毫米)
仿真结果 12.63 9.021 10.35 11.46 11.38
实验文献[ 14] 12 9 11 11 6

BHBT的山峰从不同的方向如图所示 11。脑损伤与曲率的头盔。头盔的变形越大,脑损伤越小。BFD值右边比左边大一些;大脑头骨压力,位移,和硬脑膜压力峰值小于左边。损害大脑也与头盔泡沫内部的布局有关。泡沫填充区域的左右由两个泡沫差距小于其他三个方向。仿真结果表明,大脑的颅骨位移和应力时高出两倍左右的影响比受前面,,。

在不同的方向比较峰值脑损伤。

高速子弹造成的损伤影响头盔更严重的子弹速度的增加。随着速度的增加,头骨的压力增加和大脑发生位移。拉斐尔et al。 3)报道,低速低大脑没有骨折,裂缝在中速,和一个高速断裂,有大脑位移七测试。本文的结果与上述实验相一致。

山峰BHBT由不同的子弹速度影响防弹头盔如图 12。BFD价值,头骨压力,大脑位移,硬脑膜峰值压力可以更好地反映脑损伤。模拟显示,BFD,头骨压力,大脑位移,硬脑膜压力峰值随着速度增加。

比较高峰值的影响不同的炮弹。

有不同程度的脑损伤引起的不同的子弹结构影响防弹头盔下相同的动能。本文指的是王et al。 30.)和其他人民长白猪的损伤特性研究穿在他们身上的防弹衣和影响不同结构的步枪子弹。子弹的初始能量的三种不同类型的导弹结构调整到相同的通过改变子弹的速度。在相同情况下的动能研究文学,不同的结构符合不同的脑损伤的结果。

的山峰BHBT造成不同的子弹结构影响防弹头盔如图 13。当不同的结构影响防弹头盔,能量释放模式不同的是由于导弹的结构体高速弹丸碰撞和防弹材料;大脑的不同部位的损害是不一致的。碎片子弹的速度是最大的,导致最大的BFD价值和大脑的最大位移峰值,但头骨压力峰值是最小的。9毫米手枪子弹比7.62毫米步枪子弹顺畅,导致BFD最小值,最低的大脑位移,但最大的头骨压力峰值。

比较高峰值不同的弹体结构的影响。

 5。结论

结果表明,本文中使用的大脑模型能反映人脑的生物力学响应和灵敏度大脑不同影响条件下的动态响应。位置的影响、冲击速度和子弹的结构有显著影响的头骨和大脑反应。特别是,头骨的额影响产生的BFD最多,从侧面影响方向,头骨压力高出两倍于其他方向;随着冲击速度的增加,大脑BFD、位移,头骨压力,和硬脑膜的压力增加,不同结构的子弹造成的脑损伤的身体是不同的条件下相同的动能和头骨手枪子弹造成的压力是最大的。研究结果表明,当子弹影响防弹头盔,它有一个更高的概率导致大脑位移和颅内高压。颅内压力高于235 kPa可能导致严重的脑损伤,和头骨的拉伸断裂应力约为75 MPa ( 28]。不同结构的身体造成的脑损伤时不同的动能是一致的。虽然我们研究了脑损伤引起的不同的子弹速度,方向不同的影响,和不同的子弹结构,仍有许多不足之处需要进一步研究,如角的影响。像文章中提到的 16),45度斜额影响导致头部受伤的风险低于90度额的影响。在未来,我们将继续从不同的影响的角度研究大脑的损伤等等。本文可以为头盔优化设计提供参考价值和antielasticity评估并提供保护和救助的理论基础。

 数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

 确认

我们承认的支持中国的国家自然科学基金(批准号。11972158、81973871和51805162)和中国湖南省的教育委员会(批准号。a068 17和18 a188)。

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