Page 78 - 《爆炸与冲击》2026年第3期
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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

                                                           −3
               用。相比之下，肋骨层的最大等效应变仅约                    8.5×10 （图  14(b)），其时程响应相对于软组织滞后约               0.2 ms，
                                                                       -3
               并在  0.9 ms 左右达到峰值；随后在         1.2～1.8 ms 内迅速回落至       10 量级。这表明，肋骨层主要表现为瞬时
               弹性响应，未发生显著的持续塑性应变累积。
                   在肋骨    von Mises 应力时程中，如图      15(a) 所示，各速度工况均表现出冲击后应力骤增的特征：100 m/s
               时始自   0 MPa，至  0.7 ms 跃升至   110 MPa，峰值出现在      0.8～1.0 ms 区间，约    140 MPa 后逐渐回落；110 m/s
               时同阶段峰值约        150 MPa；120 m/s 时峰值更是攀升至        210 MPa 以上，显著超过肋骨静态屈服极限（100～
               150 MPa），表明冲击速度高于约          105 m/s 时，肋骨所受应力已显著超过其静态屈服强度范围，具有较高的
               骨折风险。3     条曲线在峰值后皆出现二次应力波动，反映弹丸在弹性反弹及局部振动阶段对肋骨反复加
               载的复杂动力学。能量吸收分析进一步凸显软组织的主导地位，如图                               15(b) 所示：100 m/s 条件下，软组织
               层吸能约    9 J，肋骨层约    3 J，皮肤层不足      0.3 J；110 m/s 时软组织吸能升至       12 J，肋骨至   4 J；120 m/s 时软组
               织甚至达到近       15 J，而肋骨仅    5 J，皮肤依旧维持在       0.3～0.4 J。随着速度每提升         10 m/s，软组织层吸能增
               加约  3 J（增幅  30%  以上），肋骨吸能则增加          1 J（增幅  25%～33%），而皮肤层变化不超过              0.1 J（约  20%）。
               这一规律说明，软组织通过黏弹耗散和大面积应变承担了绝大多数冲击能量，肋骨仅以较小的弹性变形
               参与吸能，皮肤更偏向弹性初期缓冲。

                       250     120 m/s                           20    Skin

                      Maximum equivalent stress/MPa  150        Energy absorption/J  15
                               100 m/s
                                                                       Soft tissue
                       200
                               110 m/s
                                                                       Rib
                                                                 10
                       100

                        50

                                                                  0 5
                         0       0.5     1.0     1.5     2.0            100        110        120
                                        Time/ms                                Velocity/(m·s )
                                                                                       −1
                             (a) Time history of rib maximum          (b) Comparison of energy absorption
                                   equivalent stress                       at different velocities
                                          图 15    高速冲击下最大等效应力曲线与吸能柱状图
                         Fig. 15    Maximum equivalent stress curves and energy absorption bar chart under high-velocity impact

                   综上，高速冲击下胸部模型的响应呈现出“能量主要由软组织吸收、肋骨承受瞬时高应力、皮肤参
               与初期缓冲”的多层级动力学特征。冲击速度每提高                         10 m/s，肋骨最大等效应力和软组织吸能分别显著
               增长。软组织的高效缓冲是抑制肋骨应力超限的关键，但当冲击速度高于                                    105 m/s 后，肋骨易发生骨
               折。因此，提升软组织的厚度和材料黏弹性能，是优化防护装备、降低胸部伤害风险的核心途径。
                3.6    不同弹丸冲击条件下的胸部损伤风险分析
                   基于简易损伤评分（abbreviated injury scale, AIS）以及      Bir 等  [3]  依据实验数据建立的     AIS  等级与最大
                       VC max  损伤风险关系曲线，本文将                                        P AIS2  。选取  NS、CONDOR、
               黏性准则                                 AIS 2 级及以上损伤发生概率记为
               SIR-X  和  RB1FS  等  4  种典型非致命弹丸分别以        60、70、80、90 m/s 的速度对胸部模型进行冲击仿真，通
               过最大黏性准则       VC     P AIS2  损伤风险曲线及肋骨最大等效应力云图开展全面的冲击损伤风险分析。从
                                max 、
               图  16  的  VC ma x  与   P AIS2  概率曲线可以看出，4  种弹丸的胸部冲击伤害风险随冲击速度显著提高，且不同弹

               丸表现出了明显的差异性。在较低冲击速度（60 m/s）工况下，NS                         弹丸的    VC  ma x  最高，对应   P AIS2  也最高，
               约为  0.12；CONDOR   次之，损伤概率约        0.11；SIR-X  和  RB1FS  弹丸较低，损伤概率分别约为            0.10  和小于
               0.02。随着冲击速度提升至          70 m/s 时，4  种弹丸对应的      VC  x  P AIS2  明显增大，其中   NS  弹丸和   CONDOR
                                                                 ma  和
               弹丸损伤概率分别达到了约             0.27  和  0.23，接近中等损伤风险；SIR-X      弹丸概率约      0.18，RB1FS  弹丸依然最



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