Page 64 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 罗 贤，等： 一种新型胸部物理模型的设计及冲击响应分析 第 7 期

性不足；二是数值仿真与实物模型之间缺乏有效闭环校准，有限元模型参数多依赖文献或厂商数据，缺
少基于自主试验的修正；三是冲击试验平台多依赖传统枪械发射，难以实现冲击强度和波形的精确调
控，不利于深入机制研究。
针对上述不足，本研究提出并实现一种结构参数可调、集成仿真与试验一体化的新型三肋胸部物理
模型。该模型在肋骨排列、软组织和皮肤厚度等结构参数上进行三维建模优化，材料上选用高分子弹性
体与多孔聚氨酯泡沫，提升能量吸收和分布能力。通过与弹体发射平台结合，获得高可控的冲击实验环
境 ， 并 基 于 实 验 数 据 反 向 优 化 有 限 元 仿 真 参 数 ， 实 现 物 理 与 数 值 模 型 的 高 精 度 闭 环 校 准 ， 以 期 为
NLKP 安全性评估及胸部伤害机理的深入研究提供更科学、可靠的技术方案，也为防护装备与训练靶标
的开发提供方法学支持。

1 胸部物理模型结构设计与平台搭建

1.1 模型层级结构与总体构型
为精准复现非致命动能弹作用下的人体胸部力学响应，设计并搭建了一种兼容有限元仿真和实物
试验的三肋结构胸部替代模型。根据生物医学文献和医学影像资料，非致命弹丸冲击常见于胸骨两侧、
第 4 至第 6 肋区域，该部位解剖结构主要包括表层皮肤、皮下软组织（脂肪和肌肉）及呈弧形排列的
肋骨 [15] ，典型前胸壁厚度为 12～30 mm，其中皮肤层厚度为 1.5～2.5 mm，皮下组织（脂肪+肌肉）厚度为
10～20 mm，肋骨整体包络厚度为 10～15 mm [16-17] 。
本模型以 3 根仿真肋骨为核心支撑，自外向内分为皮肤层、软组织层和肋骨层三大部分。皮肤层
选用厚度为 1.0 mm 的硅胶，模拟表皮和真皮；软组织层采用厚度为 15.0 mm 的聚氨酯泡沫，模拟脂肪和
肌肉；肋骨层使用聚酰胺 66 掺 30% 玻璃纤维（polyamide 66 reinforced with 30% glass fiber，PA66+GF30）
复合材料，厚度设置为 10.0 mm，曲率参照人体第 4～6 肋典型参数设计。3 根肋骨均安装于 6061-T6 铝

合金支架上，并固定于不锈钢底座，后部设置刚性背板以提供整体支撑力，底座上方放置丙烯腈-丁二烯-
苯乙烯（acrylonitrile-butadiene-styrene, ABS）塑料的脊柱箱，用于整体模型配重并兼位移传感器的布置，
如图 1 所示。

Aluminum alloy support

Inner polyurethane foam
Outer silicone sheet

200 mm 250 mm SIR-X projectile

PA66+GF30 rib
Spine box

220 mm Stainless steel base
236 mm
(a) Structural dimensions of the model (b) Material composition of the model
图 1 胸部物理结构
Fig. 1 The physical structure of the chest

选取 4 类国际常用非致命动能弹：SIR-X（B&T）、CONDOR（以 NT-901 为代表）、RB1FS 及 NS
（Nobel Sport）。其中 SIR-X、CONDOR 和 NS 为 40 mm 海绵/泡沫鼻钝击弹，以塑料壳体配合顺应性海绵

泡沫实现钝击致痛；RB1FS 为均质橡胶弹，冲击时发生显著弹性变形。4 类弹型在胸部冲击安全评估研
究中应用广泛，具有代表性 [7, 18] 。国内警用动能弹以橡胶弹及海绵/泡沫钝击弹为主 [1-2] ，因此本文弹型选

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