Page 68 - 《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

织层选用 Chang-Fu 泡沫本构模型，该模型能够合理表征泡沫材料在压缩过程中的应力-应变关系及缓冲
性能 [25] 。肋骨层采用 PA66+GF30 复合材料，其在研究工况下主要表现为弹性响应特征。为简化模型并
降低计算复杂度，肋骨层选用线弹性本构模型进行描述。胸部模型中的支架、底座、弹托及其余刚性结
构部件均采用线弹性本构模型进行描述。在弹丸模型中，弹头在冲击过程中易发生显著压缩变形，为合
理模拟其缓冲和耗能行为，弹头部分采用简化橡胶/泡沫本构模型。各材料的密度、弹性模量（或体积模
量）及泊松比等关键仿真参数列于表 6。通过统一实验材料与仿真材料参数的对应关系，保证了数值模
型与物理模型在力学响应上的一致性，从而提高了研究结果的可重复性与可靠性。

表 6 三肋胸部模型仿真材料参数设置
Table 6 Material parameters of the three-rib chest model used in finite element simulations
部件 密度/(kg·m ) 弹性模量/GPa 体积模量/GPa 泊松比 部件 密度/(kg·m ) 弹性模量/GPa 体积模量/GPa 泊松比
−3
−3
皮肤层 1 100 0.001 0.48 SIR-X弹托 1 354 23 0.387
软组织层 250 0.001 5 0.47 NS弹头 1 000 5 0.495
肋骨层 1 650 15 0.35 NS弹托 1 206 23 0.387
支架 2 700 69 0.33 CONDOR弹头 328 5 0.1
底座 8 000 190 0.3 CONDOR弹托 1 030 23 0.33
脊柱箱 1 240 2.4 0.4 RB1FS弹头 1 000 0.498
SIR-X弹头 231 2 0.2

2.3 接触定义
在有限元仿真中，接触定义直接影响各部件间的力学传递与数值稳定性。对于本研究所设的三层
胸部替代模型及弹丸冲击过程，要确保弹丸与皮肤之间、皮肤与软组织之间、软组织与肋骨之间均能够
准确模拟接触/黏结行为，并防止数值穿透或接触失稳。弹丸为软质弹性实体，皮肤层为壳单元，两者之
间发生撞击会产生压缩并可能发生相对滑动，因此，弹丸与皮肤层之间采用基于罚函数的自动表面接触
形式，并考虑接触摩擦效应，摩擦因数取 0.3。该接触关系在 LS-DYNA 中通过可分离滑移接触实现。皮
肤层与软组织层之间在物理模型中不存在相对滑动，冲击载荷主要以黏着方式在层间传递。为反映该
特征，两者之间采用完全黏结的接触形式，在数值模型中通过表面绑定方式实现。软组织层与肋骨层之
间需允许一定程度的相对运动以反映冲击加载下的真实力学响应，因此两者之间采用自动表面接触形
式进行描述，使肋骨在接收冲击载荷的同时能够产生合理的相对位移。肋骨与支架、支架与底座之间为
刚性连接关系，在有限元模型中通过节点刚性约束方式进行处理，以保证结构整体性。对于肋骨层、脊
柱箱、支架及底座等部件，同时设置单一自动接触以处理潜在的自接触问题，从而在保证接触完整性的
同时提高计算效率。
2.4 验证标准和工况设置
为验证本研究所构建胸部物理模型以及数值模型的可靠性，按照 NATO 标准 AEP-99 胸部伤害风险
评估中所规定的流程进行测试。首先，为验证弹丸仿真模型与胸部替代物的生物力学一致性，依据
NATO AEP-99 中 SIR-X 弹丸在低速（约 30.0 m/s）和中速（约 60.0 m/s）冲击区间的典型验证工况设置，采
用 B&T SIR-X 弹丸在 29 和 61 m/s 速度下对刚性壁进行冲击试验。随后，对 NS、CONDOR、RB1FS 等弹
丸进行了刚性墙的冲击仿真，并与 Ndompetelo 等 [7] 的实验结果进行了对比，如表 7 所示。验证成功后选
用 B&T SIR-X 40 mm 非致命弹丸，在 (56.0±2.0) 和 (86.5±2.5) m/s 等 2 种初速下，对胸部模型受击点进行
撞击实验和数值仿真。对每种速度工况均进行了 5 次重复实验，记录胸壁位移-时间曲线，并基于位移历
v(t) 的乘
程计算胸部黏性响应指标，黏性判据定义为受冲击胸部区域的相对压缩量 C(t) 与其压缩速度
积，即：
β = C(t)v(t) (1)

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