底部爆炸条件下车内乘员的腹部损伤

2024年3月29日发(作者：吉利新车标)

第

卷第

期

2021

年

月

吉林大学学报（工学版）

Journal of Jilin University ( Engineering and Technology Edition)

Vol. 51 No. 3

May 2021

底部爆炸条件下车内乘员的腹部损伤

王波1 ’2，何洋扬:i，聂冰冰1，许述财1,张金换1

(1.

清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京

100084:2.

中国北方车辆研究所，北京

100072:3.

中国人

民解放军

32184

部队，北京

100093)

摘要：为了解车辆发生底部爆炸时乘员腹部致伤机制及损伤风险，构建了包含乘员、车体结

构和爆炸流场的有限元仿真模型，研究了 6kgTNT爆炸当量下乘员胸腹部器官的动力学响

应，对比了座椅冲击、地板冲击及安全带约束作用对腹部压力的影响，并基于实质性脏器平均

应变能密度和腹部血管压力变化率两个指标分析了乘员腹部损伤风险。在冲击过程中，座椅

推动乘员向上运动，造成腹部扩张；当乘员与座椅分离后，安全带限制了乘员向上运动，造成腹

部收缩。仿真结果表明：座椅冲击对乘员腹部压力影响最大，其次为安全带约束作用；在本文

模型中，乘员腹部血管压力变化率峰值为2.1 kPa/ms,腹部脏器发生损伤的风险较低。本文研

究结果可为车辆防护设计提供参考。

关键词：车辆工程；生物力学；腹部损伤；底部爆炸；人体有限元模型

中图分类号：U461.91 文献标志码：A 文章编号：1671-5497(2021)03-0792-07

DOI

： 10. 13229/j. cnki. jdxbgxb20200227

Abdominal injury of vehicle occupant in underbody blast events

WANG Bo12,HE Yang-yang3,NIE Bing-bing1 ,XU Shu-cai1,ZHANG Jin-huan1

(1. Stale Key Laboratory Automotive Safety ami Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China 2. China North

Vehicle Research bistitute, Beijing 100072, China Unit 32184 of the PLA , Beijing 100093, China)

Abstract

：

To better understand the mechanisms and risks of abdominal injuries that result from underbody

blast events, a finite element model including the occupant, the vehicle structure and the flow field of

explosion was established. The dynamic responses of the thoracic and abdominal organs under the

explosion of 6 kg TNT charge were studied, and the effects of seat impact, floor impact and seat belt

loading on abdominal pressure were compared. Injury risks of the abdomen during blast loading were

evaluated based on two biomechanical predictors： strain energy density of parenchymatous organ and the

peak rate of abdominal vascular pressure change. During the process of impact，the occupant was pushed

upward by the seat impact, which made the abdomen expanded. When the occupant was separated from the

seat, the seat belt restricted the occupant from moving upward, which compressed the abdomen. The

simulation results show that the seat impact has the largest effect on the abdominal pressure, followed by

the seat belt loading. In the model constructed in this paper, the peak rate of abdominal vascular pressure

收稿日期

：

2020-04-10.

基金项目

：国家

然科学基金项目（

51305223, 51705276).

作者简介

：王波（

1986-)

，男，博士研究生

研究方向：汽车碰撞安全

.E-mail: ******************

通信作者：

张金换（

1954-)

，女，研究员

研究方向：汽车碰撞安全

.E-mail

*****************.cn

第3期

王波，等：底部爆炸条件下车内乘员的腹部损伤

? 793 ?

change was 2.1 kPa/ms which showed that the risk of abdominal injury during blast is low. The present

results can be served as a reference for vehicle protection system design.

Key

words

： vehicle engineering； biomechanics； abdominal injury； underbody blast； finite element human

body model

引言

在近年来的几场局部战争中，地雷及简易爆

炸物造成了大量人员伤亡，美军在伊拉克及阿富

汗战争中78%的伤亡是与爆炸相关[1]，爆炸冲击

环境下车内乘员的安全和防护逐渐受到关注。在

该领域国内外研究主要集中在下肢及骨盆损伤研

究[2_5]，但对于腹部损伤的研究较少。腹部损伤是

交通事故中常见的损伤类型[6]，其在汽车碰撞损

伤力学领域已有较多研究成果7’8]，但汽车碰撞属

于水平冲击，而车辆底部爆炸属于垂向冲击，两者

在载荷方向、冲击能量及传递路径等方面存在根

本差异，底部爆炸工况下乘员腹部损伤机理应不

同于汽车碰撞，仍有待深人研究。

目前，爆炸环境下乘员损伤机理研究主要通

过尸体试验及人体有限元模型仿真两种方法。由

于基于实车爆炸的尸体试验需要火工品作业，对

场地及成本要求较高，同时存在一定伦理风险，实

施难度很大。目前，绝大部分学者采用基于模拟

碰撞的尸体试验方法[w]，即在人体标本臀部、足

部加载特定加速度波形以模拟人体受到的爆炸冲

击，但通过该方法获得的冲击环境与实车爆炸仍

存在较大差异。

人体有限元模型已广泛应用于损伤生物力

学，并可用来研究腹部损伤机理[9]。基于人体有

限元模型的整车爆炸仿真可解决实车试验面临的

场地及成本等问题，仿真模型中构建的爆炸流场

可以模拟炸药对车体结构的冲击作用，从而获得

真实的冲击环境，故该方法是研究爆炸条件下车

内乘员损伤较为理想的方法。

爆炸伤分为四级[1°]:一级为冲击波直接作用

于人体造成的损伤；二级为破片等造成的穿透伤；

三级为人体因碰撞造成的损伤；四级为热辐射及

毒气等其他因素造成的损伤。Ramasamy等％研

究发现，车内或有遮蔽（in cover)的人员主要受到

三级爆炸伤，故本文将研究范围限定在因碰撞引

起的腹部损伤。本文基于人体有限元模型，建立

了整车爆炸仿真模型，分析了底部爆炸过程中乘

员胸、腹部运动规律，研究了座椅冲击、地板冲击

及安全带约束作用对腹部损伤的影响，并完成了

乘员腹部损伤评价。

1模型构建

1.1结构有限元模型

本文参考某轮式装甲车，构建了典型模拟乘

员舱，如图1所示。舱体为由钢板组成的箱式结

构，底部由底甲板及地板双层结构组成，舱体距地

高为0.4m。座椅依据实装座椅建立，座椅骨架

由金属圆管组成，椅面（坐垫）及靠背均为柔性织

物，座椅通过安装支架固定于侧甲板。约束系统

为两点式安全带，无预紧及限力装置，安全带两端

直接固定于座椅骨架。对安全带建模时，与人体

接触部分使用壳单元，靠近固定点部位使用一维

单元。地雷模拟物使用高径比为1/3的圆柱形

丁1^丁炸药[12],质量为6 1^，埋深为10〇11。舱体结

构使用拉格朗日网格，爆炸流场（炸药、沙土及空

气）采用欧拉网格，材料参数见文献[13，14]。在

乘员舱与爆炸流场之间定义流固耦合，底甲板与

地板之间定义接触，乘员与地板、座椅及安全带之

间定义接触，摩擦因数为0.2。使用LS-DYNA

求解器进行计算，软件版本为R8. 1.0单精度并

行版。

图

有限元模型

Fig. 1 Finite element model

1.2人体有限元模型

选用GHBMC人体有限元模型，版本号为

.794 .

吉林大学学报（工学版）

第51卷

M50-OV4.5。该模型具有详细的解剖学结构，

其胸、腹部结构如图2所示，为了便于观察，仅保

留了部分与腹部损伤相关的器官，包括实质性脏

器（肝、肾、脾）、空腔性脏器（胃、大肠、小肠）、主要

血管（下腔静脉）以及骨骼等。GHBMC人体有限

元模型可输出冲击过程中上述脏器的应力状态以

及血管压力变化，进而评价乘员腹部损伤风险。

图

2 GHBMC

模型的胸腹部结构

Fig. 2 Chest and abdomen structures of GHBMC

2仿真结果及讨论

2.1胸、腹部器官运动规律

炸药在乘员舱底部起爆后，爆炸冲击主要作

用于舱体底甲板。冲击波、爆炸产物及沙土等对

底甲板的冲击在几毫秒内完成，随后舱体仅受重

力作用。底甲板获得冲量后向上变形撞击地板，

同时将冲击传递给侧甲板。侧甲板带动座椅向上

运动，座椅椅面推动乘员臀部，造成骨盆向上运

动。骨盆向上运动产生两方面作用：一方面会推

动盆腔脏器向上运动，进而挤压腹部脏器及血管;

另一方面，骨盆将冲击传递给脊椎，脊椎在挤压作

用下发生弯曲。随后，在座椅持续推力作用下，乘

员与座椅逐渐分离，安全带发挥约束作用，防止乘

员发生二次碰撞。本文使用的是两点式安全带，

其主要作用于乘员的腹部及骨盆髂骨。

乘员腹部的运动过程可分为两个阶段：第一

阶段是座椅推动乘员向上加速运动，腹部脏器受

到挤压，腹部出现扩张现象（腹围增大）；第二阶段

是乘员与座椅分离后，安全带约束骨盆运动，腹部

脏器在惯性作用下仍向上运动，同时安全带挤压

腹部，造成腹部出现收缩现象（腹围减小）。

图3为典型时刻乘员骨骼变形情况，为了便

于对比，图中同时显示了乘员表皮及安全带，其中

50 ms对应第一阶段，即腹部扩张阶段；130 ms对

应第二阶段，即腹部收缩阶段。从图3可知，50

ms时脊柱发生明显弯曲，臀部脂肪在座椅椅面作

用下发生较大变形，同时安全带出现松弛现象；而

130 〇18时，脊椎弯曲程度及臀部变形均明显降

低。图4为乘员腹部轮廓曲线（测量位置见图3)，

以矢状方向厚度计算腹部扩张或收缩量，与初始

状态（0 ms)相比，50 ms时腹部扩张量为14 % ,

130 ms时腹部收缩量为21%。

(

)50

(

) 130

图

乘员骨骼变形情况

Fig. 3 Deformation of the skeleton

300

------0

. ---50

\',_______、、 130

-tK

0 -

, I

-----

------------

l i

—=^

. l

-200

-100

100

200

冠状方向

/mm

图

乘员腹部轮廓曲线

Fig. 4 Abdomen band contours

图5为典型时刻乘员内脏变形情况，可使用

直肠末端到肺上叶尖段的垂直距离估计胸腹部脏

器受到的挤压程度，垂直距离越小，表明受到的挤

压程度越大。从图5可知，50 ms时直肠末端到肺

上叶尖段的垂直距离较初始状态减小了 18 %，且

下腔静脉的分支左、右髂总静脉均发生明显弯曲

(

)50

(

) 130

图

乘员内脏变形情况

Fig. 5 Deformation of internal organs

第3期王波，等：底部爆炸条件下车内乘员的腹部损伤

表

腹部脏器的平均应变能密度

? 795 ?

变形；而130 ms时直肠末端到肺上叶尖段的垂直

距离已接近初始状态，左、右髂总静脉的弯曲变形

明显减小，但受到安全带作用，血管仍存在挤压

变形。

2.2腹部损伤风险分析

常见的腹部损伤评价指标包括腹部压缩量、

Table 1

SED

仿真结果/

SED of abdominal organs

损伤阈值/

(

jiJ*mm

阈值出处

文献[20]

文献[18]

备注

恒河猴的肝脏

猪的肝脏

人体肾皮质组织

部位

(

fiJ*mm

肝脏

2.015

17.1 土 4.4

撞击速度、撞击力及AIC(最大撞击速度与最大压

缩量的乘积）等％17],其中腹部压缩量仅适用于低

速碰撞，AIC可适用于由气囊撞击等引起高速碰

撞。在汽车碰撞中，乘员腹部主要受到方向盘、仪

表盘、车门等侵人物撞击，通过试验或仿真可以得

到撞击速度、撞击力及腹部压缩量等数值，进而对

腹部损伤进行评价。但对于车辆底部爆炸等垂向

冲击工况，乘员受到的冲击来自于座椅、地板及安

全带，腹部并无外物撞击，无法使用上述指标进行

评价。另外，上述指标仅适用于腹部压缩过程中

的损伤评价，不适用于评价腹部扩张过程中发生

的损伤。

为评价底部爆炸条件下乘员腹部损伤风险，

需使用能够直接描述乘员腹部脏器受力状态或挤

压程度的评价指标，从而降低碰撞方式的影响。

本文选取脏器平均应变能密度及腹部血管压力变

化率两个指标进行评价。

2. 2.1平均应变能密度

脏器的平均应变能密度（SED)定义为[18\'19]:

SED=

WlV

(1)

式中：W为脏器吸收的能量；V为脏器体积。

Melvin等[2°]在1973年研究腹部钝性撞击损

伤时，提出将平均应变能密度作为腹部实质性脏

器的损伤指标，进而对腹部损伤进行评价，并给出

恒河猴肝脏及肾脏的损伤阈值。后续学者基于动

物试验、尸体试验及有限元仿真的方法给出了肝

脏、肾脏、脾脏等器官的损伤阈值，如表1所示。

在使用LS-DYNA求解器计算时，程序可输出指

定脏器在冲击过程中吸收的能量及其体积，通过

式（1)即可求出脏器的平均应变能密度。

从表1可知，虽然不同学者给出的脏器损伤

阈值存在差异，但乘员的肝脏、肾脏及脾脏的平均

应变能密度均低于最小的损伤阈值，即根据该指

标判断乘员腹部发生损伤的概率较低。

2.2.2血管压力变化率

腹腔压力可以反映腹部受挤压程度，近年来

有学者提出基于腹腔压力的腹部损伤评价指

20文献[20]

恒河猴的肾脏

肾脏

4.425文献[18]

猪的肾脏

27文献[21]

人体有限元模型

脾脏

2.535文献[21]

人体有限元模型

标[22 24]，其中主要是基于腹部血管（腹主动脉或下

腔静脉）压力衍生出的评价指标。通过尸体试验

可以得到碰撞过程中腹部血管压力的变化，但需

在试验前对血管进行加压，并预置压力传感

器i24]。心削打等[231基于尸体试验数据，提出可使

用血管压力变化率峰值对腹部损伤进行评价，并

给出腹部（肝脏）发生AIS 3 +损伤风险的方程：

〇

-415?m?-4.23)

P=-----------------------

1 + e(〇.415A~x—4.23)

(2)

式中为腹部血管压力变化率峰值,kPa/ms。

由式（2)可知，当血管压力变化率峰值为

10.2 kPa/ms时，腹部（肝脏）发生AIS3 +损伤的

概率为50%。1^11^也311办3等[24]将腹部血管压力

变化率峰值指标的评价范围扩大至腹部损伤评

价，包括空肠撕裂、结肠出血、网膜撕裂、脾脏破裂

等损伤，并给出腹部发生50%概率AIS3+损伤

的阈值为9. 3 kPa/ms。

图6为乘员腹部下腔静脉压力曲线，使用

CFC60算法滤波[24]。为分析安全带及地板冲击

的影响，该图共包含3条曲线。其中未系安全带

工况是在基准模型上将安全带删除，即乘员与座

椅分离后无安全带约束；座椅悬空工况是在基准

20 [ . -----基准模型工况

| —未系安全带工况

座椅悬空工况

篱

漉

鉬

H-

0 50 100 150 200 250

//ms

图

腹部血管压力曲线

Fig. 6 Abdominal vasculature pressure curves with

different boundary conditions

? 796 ?

吉林大学学报（工学版）第51卷

模型上断开座椅与车体的连接，并固定座椅安装

支架，即切断经座椅传递的冲击，由于乘员在车内

仅与座椅及地板接触，此时乘员仅足部受到地板

传递的爆炸冲击。

对比图6中基准模型工况与未系安全带工况

可知，两者血管压力差异主要发生在100 ms之

后，这说明100 ms之前的血管压力受安全带影响

较小；增加安全带约束后，血管压力在120 ms附

近出现压力升高，该峰值是由于安全带对乘员腹

部施加约束作用造成的。将座椅悬空后血管压力

峰值急剧下降，压力曲线更加平缓，且仅在6 3 m s

时有一个波峰，由于足部与地板的动量交换通常

在25 ms内完成[25),故该峰值不是由于地板冲击

直接引起的，可能是由于乘员足部获得动量后，下

肢向上运动挤压腹部造成的。地板冲击对乘员腹

部损伤的影响非常有限，但会改变乘员的运动姿

态，可能会造成腹部压力上升。对比图6中基准

模型工况与座椅悬空工况可知，在基准模型中

100 ms之前的血管压力峰值主要是由座椅冲击

引起的。

对于基准模型工况，血管压力在13 ms出现

第一个波峰，随后在35 附近达到最大值，现分

析这两个峰值产生的原因。图7为胸、腹部脏器

应变云图。由图可知：13 ms时，肺、肝脏、脾脏及

肾脏的应变集中在脏器后部靠近肋骨的位置，冲

击来自乘员背部，说明该波峰是由于座椅靠背拍

击乘员背部进而压迫胸腹部引起的，即座椅靠背

冲击；而35 ms时，应变主要集中在脏器底段，冲

志来自脏器底部，说明该峰值是由于骨盆挤压腹

腔脏器引起的，即座椅椅面冲击。

0.30

0.10

0.09

-0.08

0.06

0.05

\" 0.04

0.03

0.01

0.00

⑷13

(

)35

图

胸、腹部脏器应变云图

Fig. 7 Von Mises Strain distribution of

abdominal and thoracic organs

从图6基准模型工况可知，座椅冲击引起的

腹部血管压力峰值为17.7 kPa,计算得到的血管

压力变化率峰值为2. 1 kPa/ms,根据式（2)可知，

腹部（肝脏）发生八183+损伤风险为3.4%;由安

全带约束引起的血管压力峰值为6.8 kPa,血管压

力变化率峰值为0. 27 kPa/ms,腹部发生AIS3+

损伤风险为1.6 %。即，从该指标判断乘员腹部

发生损伤的概率较低。

综上可知，对于基准模型工况，乘员腹部在

100 ms之前主要受到座椅冲击，而在100 ms之后主

要受到安全带约束作用。座椅冲击对乘员腹部损伤

的影响大于安全带约束作用。地板冲击对腹部损伤

的影响非常有限，不会直接对乘员腹部造成损伤。

2.3安全带对损伤的影响

图8为安全带的拉力曲线，使用CFC60算法

滤波[2S],由图可知在约100 ms前安全带拉力一直

处于零线附近，即安全带处于松弛状态；100 ms

后安全带拉力逐渐上升，对乘员施加约束作用，在

133 ms时达到峰值1. 8 kN,约225 ms时降至零线

附近。本文使用的是两点式安全带，腰带力峰值

仅为1.8 kN,远低于常见安全带限力器拉力限

值0!，故从拉力角度分析，安全带约束造成乘员

腹部损伤的可能性较小。

2.0 r-

轵

啪

供

图

安全带拉力曲线

Fig. 8 Belt force-time curve

图9为骨盆质心垂向速度曲线，使用CFC300

算法滤波，可将乘员运动分为4个阶段。在/，时

段，座椅推动乘员向上加速运动，骨盆质心垂向速

度（简称骨盆速度）迅速上升并达到峰值5.8 m/s,

在该时段末期骨盆速度已大于座椅速度；在？2时

段，乘员与座椅逐渐分离，但安全带仍处于松弛状

态，未对乘员施加约束；在/3时段，安全带张紧并

发挥约束作用，乘员在安全带及重力的共同作用

下开始减速；在/4时段，乘员骨盆速度已降至与座

椅速度相同，两者相对静止，安全带拉力消失，随

后乘员和座椅在重力作用下同步减速。

由于乘员臀部脂肪及座椅椅面均为柔性体，

两者的分离是逐步发生的，故/,时段与6时段可能

第3期

王波，等：底部爆炸条件下车内乘员的腹部损伤

■ 797 .

(

丨

)

-i

喝

相

0 50 100 150 200 250 300

//ms

图

乘员骨盆质心速度曲线

Fig. 9 Velocity-time curve of pelvis

存在重叠。/2时段的长度受到人、椅分离速度（即

骨盆与座椅的相对速度）及安全带松弛量两方面

影响，乘员臀部受到座椅挤压后发生变形（见图3

(b)),增大了安全带的松弛量，这将增加&时段的

长度。&时段持续约125 ms,若忽略安全带拉力

对座椅及舱体的影响，则座椅及舱体仅受重力作

用，乘员骨盆速度从5 m/s降至2. 1 m/s,在4时段

结束时（225 ms)乘员与座椅相对静止。由式（3)

可估算出安全带张紧时（100 ms)人、椅分离速度

仅为 1. 7 m/s。

- w* -

(3)

式中为人、椅分离速度；为&时段开始时

骨盆速度；为(，时段结束时骨盆速度；g为重力

加速度；T3为4时段时长。

汽车正面碰撞是典型的水平冲击工况，座椅

对乘员的作用力与冲击方向垂直，安全带对乘员

作用力与冲击方向相同。车辆底部爆炸是典型的

垂向冲击工况，座椅推动乘员向上运动，座椅作用

力与冲击方向相同，安全带约束乘员防止其向上

运动，安全带作用力与冲击方向相反。

对于汽车正面碰撞工况，安全带需约束乘员

减速直至停止。而对于车辆底部爆炸工况，安全

带仅需约束乘员减速至与座椅同速，由于冲击过

程中乘员和座椅是被同步加速，两者分离速度较

低（本文中的人、椅分离速度仅为1.7 m/s),这是

安全带拉力小的根本原因。

2.4局限性

本文研究了爆炸冲击作用后车辆上升阶段乘

员腹部的损伤情况，但在车辆下落阶段，轮胎撞击

地面时，仍有冲击作用于乘员，而本文未考虑车辆

落地冲击对腹部损伤的影响。另外，在实际乘车

过程中乘员大多佩戴防弹衣或弹药等负荷，这可

能会增大冲击过程中的腹部压力，造成腹部损伤，

但本文未考虑负荷量对腹部损伤的影响。上述为

本文的两点局限性，车辆落地冲击及负荷量对乘

员腹部损伤的影响仍需进一步研究。

3结论

(1) 车辆底部爆炸时，乘员运动分为4个阶

段：首先，乘员在座椅推动作用下向上加速运动，

同时腹部发生扩张现象；随后，乘员逐渐与座椅分

离；待安全带张紧后，乘员在安全带约束作用下相

对于座椅做减速运动，同时腹部发生收缩现象；当

乘员与座椅速度相同后，安全带拉力为零，两者在

重力作用下同步减速。

(2) 乘员共受到座椅冲击、地板冲击及安全

带约束3种载荷作用。座椅冲击对腹部脏器的挤

压程度最高，其次为安全带约束作用。地板冲击

对腹部压力影响很小，不会直接对腹部脏器造成

损伤。

(3) 在本文构建的模型中，座椅安装在侧甲板

上，分析实质性脏器平均应变能密度及腹部血管

压力变化率两个指标可知，乘员腹部损伤风险较

低。本文研究成果有助于理解底部爆炸条件下车

内乘员腹部损伤机理，可为车辆抗爆结构设计提

供参考，进而提高乘员安全性。

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