高速子弹致头盔后钝器损伤的研究

摘要

引起的高速子弹头盔钝伤（BHBT）背后的机制是很难理解。目前，尚缺乏对应的参数和试验方法有效地评估这种损失。因此目前研究的目的是调查人类头骨和大脑组织的子弹撞击防弹头盔的加载下的响应，与冲击方向，冲击速度和冲击结构的所考虑的影响。在此研究中使用，其可以精确地重建头皮，颅骨，脑组织等的解剖学的结构，并能真实地反映脑的下高冲击速度的生物力学响应的人脑有限元模型。背面变形（BFD）的响应，脑位移，颅骨应力，及硬膜压力从模拟作为参数反射BHBT风险萃取，也进行了研究BHBT和防弹设备的结构和性能之间的关系。仿真结果表明，该头骨的正面碰撞产生BFD的量最大，而当冲击方向是从侧面看，颅骨应力为约比其它方向高两倍。作为冲击速度增大，BFD，脑位移，颅骨应力，和硬脑膜的压力增加。不同而造成的结构性子弹体的脑损伤是相同的动能的情况下不同。造成手枪子弹头骨的压力是最大的。结果表明，当子弹撞击防弹头盔时，造成脑位移和颅内高压的可能性较大。 The research results can provide a reference value for helmet optimization design and antielasticity evaluation and provide the theoretical basis for protection and rescue.

1.介绍

头盔后钝伤(BHBT)是指当高能子弹和爆炸碎片撞击防弹头盔时，头盔发生变形而不穿透，头盔后部暴露于脑力或冲击波中，造成大脑损伤[1,2]。Rafaels等分析了6000多例战争、反恐和维和中的子弹和碎片，发现70%以上的受伤患者佩戴防弹头盔等个人防护装备，其中50%以上的患者脑部受伤[3.]。然而，BHBT的作用机制尚不清楚。因此，了解BHBT的损伤机制，加强对大脑的保护是亟待解决的问题。

对于单个设备非穿透性损伤的研究，由于无法活人实验，主要采用尸头实验、动物实验、假人实验和数字仿真方法。尸体的头骨是生命有机体最相似的替代品;可以有效地研究组织的生物力学反应和损伤机制。然而，新鲜、完整的尸体标本来源十分有限，标本采集难度大、成本高，重复性差。动物实验模型可以在一定程度上模拟生物组织在冲击作用下的反应，但动物与人体在解剖结构和组织反应方面存在一定差异。有限元法可以在一定程度上替代生物力学试验，研究颅骨和大脑各部位的损伤情况。在过去的十年里，Jazi等人[4，杨和戴[5]，Pintar等人。[6， Tse等[7]建立人头生物力学仿真模型，尸体实验验证;有限元法从此得到了广泛的应用。

近年来，大量学者通过各种方式建立头部有限元模型和方法。经过几代几代人的努力，以更高的精度有限元模型已经在原来简单的模型开发，例如，ULP [8（巴斯德型大学）在法国，WSUBIM [9（韦恩州立大学脑损伤模型）在美国，KTH [10(Kungliga Tekniska Hogskolan)在瑞典，UCDBTM [11（都柏林大学脑外伤）在爱尔兰和GHBMC [12全球人体模型协会。此外，NRL-Simpleware head模型[13]，美国海军研究实验室已经在研究军用头部损伤。

目前，许多学者对头盔防护参数进行了研究。Pintar等人[6]，罗德里格斯Millan等人。[14]，和Palta等。[15]，用实验和模拟的组合，师从子弹的冲击头盔保护的损伤机制。Li等人。[16]建立和验证粘土注入人脑仿真模型。谭等人。[17]所使用的光气枪进行实验和模拟。海等人。[18]利用长程和物理模型研究了不同子弹速度引起的脑损伤。Rafaels等人[3.]进行所引起的冲击子弹防弹头盔的脑损伤的尸体实验;帕洛玛等。[19]用有限元方法研究了不同子弹速度对颅骨造成的损伤。此外，还对其他参数进行了研究。例如，杨和戴[5[]建立了人脑生物力学仿真模型，对不同角度、不同位置的子弹撞击造成的脑损伤进行了仿真分析。Tan等人[20研究了装备先进战斗头盔(ACH)的Hybrid III头型正面和侧面弹道冲击的实验和数值模拟。结果表明，高保真人脑生物力学有限元模型能够准确地模拟子弹冲击下大脑的生物力学响应和损伤。Jazi等人[4]建立了人脑模拟模型来研究大脑时，子弹撞击防弹头盔的生物力学响应。不同的脑靠垫，不同的影响的角度，并在大脑中的不同撞击位置的参数进行了分析。阿勒和Kleiven [21]所使用的脑有限元模型来模拟大脑的头盔刚度的参数和不同的冲击角下的生物力学响应。

当前研究的目的是探讨人类的颅骨和脑组织的子弹荷载作用下撞击头盔的响应，冲击方向，速度和冲击的结构正在考虑的效果。为了实现这一点，使用它可以精确地重建头皮，颅骨，脑组织等的解剖学的结构，并能真实地反映在高冲击速度的防弹保护脑的生物力学响应人脑有限元模型在这个研究中。

BFD，脑位移，颅骨应力，及硬膜压力的响应是从模拟的参数以反映BHBT风险萃取BHBT和防弹设备的结构与性能之间的关系进行了研究。研究结果可以提供对大脑的影响子弹防弹头盔的载荷下的生物力学响应更好的理解。

2。材料和方法

2.1。建立有限元模型

头盔采用建立和验证美国陆军先进作战头盔[22]其在图中所示1(一)。本研究使用的头盔模型有7种泡沫。泡沫模型如图所示1 (b)。圆柱形泡沫的尺寸为 直径和高度为毫米。矩形块的长度、宽度和高度为 毫米,  mm; the element size is 3 mm. The advanced combat helmet liner is a polyurethane foam material; the gasket material is a hard foam with stress-strain behavior with load rate sensitivity. According to the properties of the rigid foam material, the MAT_LOW_DENSITY_FOAM (MAT_57) is used in the LS-DYNA material library. The material density is 公斤/毫米^3.，杨氏模量为8.4 MPa，应力应变关系由单轴拉伸试验得到，应力应变曲线如图所示1 (c)由MATLAB修正。

手枪，碎片和步枪子弹由软件PROE（参数技术公司，马萨诸塞州，美国）中的所有构造来创建一个几何模型。八节点的六面体元件用于在有限元软件预处理HyperMesh中（牛郎星工程公司，特洛伊，MI，USA）啮合。The element size of the handgun bullet is 2 mm [20]。整个模型包含21616个节点和1695个单元，质量为8 g。破碎的有限元模型[23]采用的是AISI 4340钢。整个模型包含节点14283个，单元12584个，质量为1.13 g。步枪子弹有限元模型[24]使用7.62毫米步枪射弹，弹头分为三部分:装甲、钢芯和铅芯。整个模型共包含节点8640个，单元5389个，质量为10.98 g。有限元模型图如图所示1 (d)。子弹材料参数如表所示1。

大脑的建立有限元模型[25,26]得到改善，皮肤和颅骨具有表面对表面的接触，和其他脑组织被使用自接触算法。脑脊液被修改为在预处理期间ALE网格，该材料变为MAT_ELADTIC_PLUID (MAT_1)，单元算法为 。关键字设置CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_ SOLID实现结构与流体的耦合，使“脑-脑脊液-脑”具有流-固耦合关系。

2.2。有限元模型的验证

根据蔡等人的相关文献脑有限元模型的大脑压力和头骨的反应已经过验证。[25]。本研究涉及脑位移，脑-颅骨相对位移采用脑有限元模型进行验证，参考Hardy等实验[27]。

采用C383-T3高强度额叶冲击试验评估脑相对位移。在Hardy等人的实验中，反演头部模型，选择接近NDT标识符位置的节点。节点a1-a6表示肱骨前壁区域而节点p1-p6表示枕后壁区域;每个标记的距离约为10毫米。通过HyperMesh自动计算的头部重心和节点位置如图所示2;每个节点与颅骨的相对位移进行计算。数字3.示出了平移加速度和由Hardy等测量的旋转加速度。实验在重力的头部中心并用作在其上模拟为刚性的颅骨载荷条件。

The 80 ms head motion response process is simulated, and the relative displacement trajectories of the brain are shown in Figure4。总体而言，仿真中选取的节点相对于颅骨在碰撞过程中的运动基本呈环形，这与实验获得的运动轨迹一致。

仿真和实验的脑-颅骨相对位移如图所示5。从图中可以看出，式中节点的相对位移和方向是与实验结果基本一致，并且峰值比的实验结果稍低。在结果中的差异可能是由于在实验和有限元模型，以及在实验测试点的位置的偏离之间的几何和材料性质的差异。

2.3。BHBT的研究方法

因为泡沫材质柔软，穿着防弹头盔后，大脑就会对初始软泡沫一定的压缩变形。在仿真过程中，建立了泡沫的有限元模型，在HyperMesh以模拟防弹头盔在现实环境中的反应预应力。预应力过程是固定的头部和在头盔应用重力;泡沫的外面将被变形以配合所述头盔和泡沫的内部将被变形以配合头部[28]。最终构建的具有详细解剖结构的有限元模型如图所示6(一)和6 (b);所述bullet-证明头盔，人的大脑，和泡沫的组件在图中示出图6（c）。我们定义的头盔和泡沫和泡沫和头皮面 - 面接触之间的接触。

我们使用建立和验证人脑的生物力学模型和防弹头盔有限元模型，研究脑损伤具有不同的影响方向，速度和结构的参数。我们测试图中所示的位置7得到变形量在头盔的背面，颅骨应力（在头骨），大脑的绝对位移（在大脑），以及颅内压（在硬膜）和评价的损害，相应到在表中示出的测试点位置2。由于影响时间非常短，头部模型的固定问题没有考虑。Firstly, the helmet-cranial model was impacted on the frontal, rear, top, left side, and right side of the bullet-proof helmet at a speed of 400 m/s by the opponent’s bullets to study the damage of the brain in different impact directions. Then, the helmet-cranial model was impacted by bullets at 400 m/s, 420 m/s, 440 m/s, and 460 m/s from the right. Also, the helmet-cranial model was impacted by a handgun bullet, fragmentation bullet, and rifle bullet with the same kinetic energy of 360 J on the front of the helmet to simulate the impact of different structures on the brain injury.

3.结果

3.1。头盔上的变形影响不同方向的影响

手枪子弹以400米/秒的速度撞击防弹头盔的仿真结果如图所示8。在不同方向的冲击作用下，头盔的损伤形态呈圆形。如图所示图8（a），输出点A的BFD值(输出点位置如图所示7)is different at different positions, and the BFD of the front impact has the maximum value (12.63 mm at 0.09 ms), and for the top collision (10.35 mm at 0.07 ms), backward collision (9.021 mm at 0.11 ms), right impact (11.46 mm at 0.14 ms), and left impact (11.38 mm at 0.1 ms), the result is basically consistent with the experiments done by Rodríguez-Millán et al. [14]。不同冲击方向的BFD值随时间的变化趋势基本相同。如图所示8 (b)，与在正面碰撞时的模型位移的变化，子弹接触在头盔 ms，头盔开始变形，头骨也开始变形  ms, The BFD maximum reach at ms。

3.2。不同子弹速度对脑损伤的影响

不同的子弹速度影响防弹头盔的右方向的模拟结果示于图9。不同子弹速度冲击防弹头盔造成的颅骨应力云图和脑位移如图所示9。速度越快，BFD值越大，脑位移越大，颅骨应力越大，硬脑膜压力越大，脑损伤越严重。

3.3。在相同的动能在脑损伤不同的项目符号结构的影响

同样360 J动能下，破片速度为798米/秒，9毫米手枪子弹速度为300米/秒，7.62毫米步枪速度为256米/秒。不同弹结构冲击防弹头盔的仿真结果如图所示10。不同子弹结构对防弹头盔的硬脑膜压力图如图图10（a）。9毫米手枪子弹的硬脑膜压力最高为245.1 kPa，步枪子弹为238.2 kPa，碎弹为225.4 kPa。三种子弹撞击防弹头盔获得硬脑膜压力输出点D₁(输出点位置如图所示7)如图所示图10（b）。小块碎片第一次发生硬脑膜压力变化，最后一次硬脑膜压力变化是由最大的质量步枪引起的。输出点A的BFD值₁三种类型的子弹撞击防弹头盔的下显示在图图10（c）。当变形达到最大时，破片子弹最快，手枪子弹第二，步枪子弹最慢。7.1毫米的破片子弹头盔最大变形度，6.8毫米的步枪子弹次之，手枪子弹的最低值为5.6毫米。

4.讨论

防弹头盔的BHBT和防护性能的核心问题是能否提出一种基于真实人脑损伤的防护结构和防护方法，而不是基于目前使用的假脑、污泥或明胶的参数和方法。目前，V50方法[16]可以准确地评估头盔的穿透阻力，但不能有效地评估BHBT。因此，通过大量的实验、参数研究和优化方法，评价BHBT的指标和标准，进而指导头盔的设计是研究的重点和首要任务。

本文建立了高精度的人脑生物力学模型。在LS-DYNA环境下，对子弹高速撞击头盔造成的BHBT进行了仿真验证，并对分析参数进行了研究。用颅骨应力评估颅骨骨折，用脑位移和硬脑膜压力评估颅脑损伤。高速撞击下大脑模型的仿真结果与Raymond等人的总体趋势一致[。29]。结果表明，所建立的脑生物力学模型能正确反映人脑的生物力学响应;对不同载荷条件和不同参数下的脑动态响应具有良好的敏感性，可为BHBT的评价和后续头盔的优化设计提供参考。

通过参数化研究可以看出，防弹头盔对子弹的损伤在不同方向上存在显著差异。研究表明BHBT与BFD有关[16]。的正面，背面，上面，右侧的BFD和左从本文不同的冲击方向获得与罗德里格斯Millan等人基本一致。[14和其他人。对比结果如表所示3.。BFD值在不同冲击方向随时间的变化趋势及模型位移在前部随时间的变化，Li等[16]，罗德里格斯Millan等人。[14，其他人也报告了类似的行为。产生差异的原因可能是仿真模型的差异、不同样品的几何和材料性能的差异以及实验测试点的偏差。本文使用的人脑生物力学模型包括头皮、硬骨组织、脑组织和软组织，更接近人脑的真实情况。仿真结果进一步证明了模型的准确性，准确反映了子弹撞击头盔引起的BHBT的生物力学响应。

图中显示了不同方向的BHBT峰值11。颅脑损伤是关系到头盔的曲率。头盔的变形越大，越小的脑损伤是。在右侧的BFD值比左侧大一点;颅骨应力，脑位移，及硬膜压力峰值比左侧小。对大脑造成的伤害也关系到头盔泡沫内部的布局。它由两个泡沫有间隙的左侧和右侧的泡沫填充面积上超过了其他三个方向小。仿真结果表明，当左，右两侧时，由前，后，和顶级的影响比受影响的大脑位移和应力头骨大约高出两倍。

高速子弹撞击头盔造成的损伤随着子弹速度的增加而加重。随着速度的增加，头骨的压力增加，大脑发生位移。Rafaels等人[3.]报道，有在低速下脑没有断裂，在中等速度的裂纹，并且在高速下断裂，并有在七个测试脑脑位移。本文的结果与上述实验一致。

BHBT的不同而造成的子弹速度影响防弹头盔的峰显示在图12。BFD值，颅骨应力，位移大脑和峰硬膜压力能更好地反映脑损伤。仿真结果表明，BFD，颅骨应力，位移大脑和硬脑膜压力峰值随速度增加。

不同子弹结构在相同动能下撞击防弹头盔造成的脑损伤程度不同。本文参考了Wang等[三十]等人对地方品种的损伤特征上他们里面穿的防弹衣与步枪子弹的不同结构的影响的研究。三种不同类型的导弹结构中的子弹的初始能量通过改变子弹的速度调整为相同的。在相同的情况下，如在文献研究的动能，不同的结构是不同的脑损伤的结果相一致。

不同的弹体结构对防弹头盔产生的BHBT峰值如图所示13。当不同的结构上的防弹头盔的影响，能量释放模式是弹体和射弹和防弹材料之间的高速碰撞的结构不同，由于;造成对大脑的不同部位的损伤是不一致的。碎片子弹的速度是最大的，这将导致最大的BFD值和最大位移大脑高峰，但颅骨应力峰值是最小的。The 9 mm handgun bullet is smoother than the 7.62 mm rifle bullet, which results in the smallest BFD value, the lowest brain displacement, but the largest skull stress peak.

五，结论

结果表明，本文所采用的脑模型能够反映人脑的生物力学响应，对不同冲击条件下的脑动态响应具有敏感性。子弹的撞击位置、撞击速度和撞击结构对颅骨和大脑的反应有重要影响。特别是颅骨正面撞击产生的BFD量最大，当撞击方向为侧面时，颅骨应力约为其他方向的2倍;随着冲击速度的增大，BFD、脑位移、颅骨应力、硬脑膜压力均增大，在相同动能条件下，不同结构的弹体对脑的损伤不同，手枪子弹引起的颅骨应力最大。结果表明，当子弹撞击防弹头盔时，造成脑位移和颅内高压的可能性较大。颅内压高于235 kPa可导致严重的脑损伤，颅骨的拉伸骨折应力在75 MPa左右[28]。当动能一致时，不同结构体引起的脑损伤是不同的。虽然我们研究了不同子弹速度、不同撞击方向、不同子弹结构引起的脑损伤，但仍有许多不足之处需要进一步研究，如撞击角度。如文章所述[16， 45度的斜锋面撞击比90度的锋面撞击造成的头部损伤风险更低。在未来，我们将继续从不同的撞击角度等对大脑损伤进行研究。为头盔的优化设计和抗弹性评价提供参考价值，为防护和救援提供理论依据。

数据可用性

支持本研究结果的数据可从通讯作者处获得。

的利益冲突

作者声明，本论文的发表不存在任何利益冲突。

致谢

我们承认由中国国家自然科学基金（批准号：11972158，81973871，51805162和）和中国的湖南省教育委员会（批准号：17A068和18A188）的支持。

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