
兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (10): 250572-.doi: 10.12382/bgxb.2025.0572
樊壮卿1,2, 王硕3,*(
), 李翔宇1, 王建民2, 张双博2, 李冠桦2, 陈菁2, 卢芳云1,**(
)
收稿日期:2025-06-30
上线日期:2025-11-05
通讯作者:
基金资助:
FAN Zhuangqing1,2, WANG Shuo3,*(
), LI Xiangyu1, WANG Jianmin2, ZHANG Shuangbo2, LI Guanhua2, CHEN Jing2, LU Fangyun1,**(
)
Received:2025-06-30
Online:2025-11-05
摘要:
针对国内缺乏基于实验伤道的数字人破片伤计算方法及模型系统化研究的需求,提出了实验伤道数字人破片伤模型构建方法,构建了高精度人体几何模型,通过开展破片侵彻生物组织试验及数值仿真研究获得了破片侵彻人体组织的实验伤道计算模型,明确了破片侵彻组织器官深度及孔径与人员损伤的量化判据,基于Qt平台和OpenGL技术开发了数字人破片伤计算软件,开展了单破片命中确定部位和单破片不同角度命中人体两种典型算例研究。系统地提出数字人破片伤计算方法并构建了高精度模型软件,可为战场人员破片伤损伤评估、杀爆类战斗部打击下减员预测以及人员损伤防护提供科学支撑。
樊壮卿, 王硕, 李翔宇, 王建民, 张双博, 李冠桦, 陈菁, 卢芳云. 基于实验伤道的数字人破片伤计算模型及构建方法[J]. 兵工学报, 2025, 46(10): 250572-.
FAN Zhuangqing, WANG Shuo, LI Xiangyu, WANG Jianmin, ZHANG Shuangbo, LI Guanhua, CHEN Jing, LU Fangyun. Computational Model and Construction Method for Digital Human Fragment Injuries Based onExperimental Wound Ballistics[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(10): 250572-.
| 部位 | 包含组织类型及名称 |
|---|---|
| 头颈部 | 皮肤、骨骼(颅骨、下颌骨、7节颈椎、会厌软骨)、肌肉(降眉肌等40组肌肉丛)、器官(大脑、小脑、脑干、眼球、咽口部、鼻)、血管(颈动静脉) |
| 躯干部 | 皮肤、骨骼(肩胛骨、肋骨、胸骨、锁骨、胸椎、腰椎、尾椎、髋骨)、肌肉(冈上肌等32组肌肉丛)、器官(气管、肺、食管、心脏、胃、肝、胆、肾、肠、胰脏、膈肌)、血管(腹腔动脉) |
| 上肢(左右) | 皮肤、骨骼(肱骨、桡骨、尺骨、手部骨)、肌肉(肱二头肌等21组肌肉丛)、血管(上臂动脉),左右肢相同 |
| 下肢(左右) | 皮肤、骨骼(股骨、髌骨、腓骨、胫骨、脚部骨)、肌肉(股直肌等28组肌肉丛)、血管(股动脉),左右肢相同 |
表1 高精度人体几何模型组织类型及名称
Table 1 Tissue types and names in high-precision human geometric model
| 部位 | 包含组织类型及名称 |
|---|---|
| 头颈部 | 皮肤、骨骼(颅骨、下颌骨、7节颈椎、会厌软骨)、肌肉(降眉肌等40组肌肉丛)、器官(大脑、小脑、脑干、眼球、咽口部、鼻)、血管(颈动静脉) |
| 躯干部 | 皮肤、骨骼(肩胛骨、肋骨、胸骨、锁骨、胸椎、腰椎、尾椎、髋骨)、肌肉(冈上肌等32组肌肉丛)、器官(气管、肺、食管、心脏、胃、肝、胆、肾、肠、胰脏、膈肌)、血管(腹腔动脉) |
| 上肢(左右) | 皮肤、骨骼(肱骨、桡骨、尺骨、手部骨)、肌肉(肱二头肌等21组肌肉丛)、血管(上臂动脉),左右肢相同 |
| 下肢(左右) | 皮肤、骨骼(股骨、髌骨、腓骨、胫骨、脚部骨)、肌肉(股直肌等28组肌肉丛)、血管(股动脉),左右肢相同 |
| 名称 | 侵彻厚 度/cm | 入口速度/ (m·s-1) | 出口速度/ (m·s-1) | 入口尺寸/ cm2 | 出口尺寸/ cm2 |
|---|---|---|---|---|---|
| 肌肉 | 9.07 | 298.75 | 144.34 | 0.6×0.6 | 0.2×0.2 |
| 股骨 | 1.8 | 572.44 | 436.51 | — | — |
| 肋骨 | 1 | 655.92 | 587.6 | 1.8×1.5 | 2.2×2.1 |
表2 破片侵彻长白猪部分组织结果统计
Table 2 Statistical results of fragment penetrating into typical tissues of oig
| 名称 | 侵彻厚 度/cm | 入口速度/ (m·s-1) | 出口速度/ (m·s-1) | 入口尺寸/ cm2 | 出口尺寸/ cm2 |
|---|---|---|---|---|---|
| 肌肉 | 9.07 | 298.75 | 144.34 | 0.6×0.6 | 0.2×0.2 |
| 股骨 | 1.8 | 572.44 | 436.51 | — | — |
| 肋骨 | 1 | 655.92 | 587.6 | 1.8×1.5 | 2.2×2.1 |
| 名称 | a/ (kg·m-3) | b/ (kg· m-2·s-1) | c/ (kg·(m-1·s-2) |
|---|---|---|---|
| 股骨 | 362.85 | 349909.89 | 11949835.23 |
| 肋骨 | 499.82 | 139812.86 | 38284378.08 |
表3 股骨及肋骨减速模型系数
Table 3 Deceleration model coefficients for femur and rib
| 名称 | a/ (kg·m-3) | b/ (kg· m-2·s-1) | c/ (kg·(m-1·s-2) |
|---|---|---|---|
| 股骨 | 362.85 | 349909.89 | 11949835.23 |
| 肋骨 | 499.82 | 139812.86 | 38284378.08 |
| 名称 | α | β |
|---|---|---|
| 股骨 | 7.037 | 0.95 |
| 肋骨 | 1.484 | 0.44 |
表4 股骨及肋骨穿孔模型系数
Table 4 Perforation model coefficients for femur and rib
| 名称 | α | β |
|---|---|---|
| 股骨 | 7.037 | 0.95 |
| 肋骨 | 1.484 | 0.44 |
| 损伤严重度(组织器官受损深度/cm与直径/cm) | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 部位 | 轻伤 | 中度伤 | 重度伤 | 危重伤 | 即刻死亡 | |||||
| 组织/器官 | 深度 | 直径 | 深度 | 直径 | 深度 | 直径 | 深度 | 直径 | 深度 | 直径 |
| 头颈部 | ||||||||||
| 头颈部皮肤、肌肉 | 0.5 | 1 | 1 | 3 | 1 | 10 | - | - | - | - |
| 颌面部皮肤、肌肉 | 0.5 | 1 | 1 | 5 | 3 | 5 | - | - | - | - |
| 颈部皮肤、肌肉 | 0.5 | 1 | 1 | 5 | 3 | 5 | - | - | - | - |
| 颅盖骨 | - | - | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 5 | - | - |
| 颅底骨 | - | - | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 4 | - | - |
表5 基于穿深及孔径的破片伤量化判据
Table 5 Fragment injury quantification criteria based on penetration depth and aperture
| 损伤严重度(组织器官受损深度/cm与直径/cm) | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 部位 | 轻伤 | 中度伤 | 重度伤 | 危重伤 | 即刻死亡 | |||||
| 组织/器官 | 深度 | 直径 | 深度 | 直径 | 深度 | 直径 | 深度 | 直径 | 深度 | 直径 |
| 头颈部 | ||||||||||
| 头颈部皮肤、肌肉 | 0.5 | 1 | 1 | 3 | 1 | 10 | - | - | - | - |
| 颌面部皮肤、肌肉 | 0.5 | 1 | 1 | 5 | 3 | 5 | - | - | - | - |
| 颈部皮肤、肌肉 | 0.5 | 1 | 1 | 5 | 3 | 5 | - | - | - | - |
| 颅盖骨 | - | - | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 5 | - | - |
| 颅底骨 | - | - | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 4 | - | - |
| 编号 | 侵彻组织器官 | 穿深/cm | 穿孔直径/cm | 损伤等级 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 皮肤 | 0.2 | 2.99 | 轻度伤 |
| 2 | 胸腔肌肉 | 1.6 | 2.99 | 轻度伤 |
| 3 | 肋骨 | 0.74 | 1.51 | 轻度伤 |
| 4 | 肺脏 | 13.73 | 2.72 | 中度伤 |
| 5 | 气管 | 1.3 | 2.72 | 危重伤 |
| 6 | 肩胛骨 | 2.53 | 1.50 | 中度伤 |
表6 破片侵彻途径伤道尺寸及损伤等级
Table 6 Wound ballistics dimensions and injury severity levels
| 编号 | 侵彻组织器官 | 穿深/cm | 穿孔直径/cm | 损伤等级 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 皮肤 | 0.2 | 2.99 | 轻度伤 |
| 2 | 胸腔肌肉 | 1.6 | 2.99 | 轻度伤 |
| 3 | 肋骨 | 0.74 | 1.51 | 轻度伤 |
| 4 | 肺脏 | 13.73 | 2.72 | 中度伤 |
| 5 | 气管 | 1.3 | 2.72 | 危重伤 |
| 6 | 肩胛骨 | 2.53 | 1.50 | 中度伤 |
| [1] |
樊壮卿, 张双博, 卢芳云, 等. 人员易损性分析研究进展及应用综述[J]. 兵工学报, 2024, 45(9): 2888-2905.
|
|
|
|
| [2] |
王建民, 陈魁君, 李彤华, 等. 基于破片穿深的人员不同损伤严重度发生概率评估方法[J]. 兵工学报, 2022, 43(9): 2086-2100.
|
|
|
|
| [3] |
|
| [4] |
|
| [5] |
|
| [6] |
|
| [7] |
|
| [8] |
刘荫秋, 王正国, 马玉媛. 创伤弹道学[M]. 北京: 人民军医出版社, 1991.
|
|
|
|
| [9] |
安波, 李兵仓, 赖西南, 等. 某型榴弹静爆对生物杀伤效应的实验研究[J]. 创伤外科杂志, 1999(3): 161-163.
|
|
|
|
| [10] |
张良潮, 赖西南, 李素芝, 等. 高原枪弹与破片飞行速度特点的实验研究[J]. 创伤外科杂志, 2004(4): 286-288.
|
|
|
|
| [11] |
高志明, 周继红, 张岫竹, 等. 猪下肢高速三角破片伤后血生化变化与脏器损伤[J]. 局解手术学杂志, 2013, 22(4): 353-356.
|
|
|
|
| [12] |
高建新, 单毅, 孙荣距, 等. 高速破片致长白猪肝脏穿透伤模型的建立[J]. 中华危重病急救医学, 2022, 34(9): 958-963.
|
|
|
|
| [13] |
刘坤, 吴志林, 徐万和, 等. 弹头侵彻明胶的运动模型[J]. 爆炸与冲击, 2012, 32(6): 616-622.
|
|
|
|
| [14] |
罗少敏, 黄拱武, 陈爱军. 球形弹丸侵彻明胶数值仿真分析[J]. 计算机仿真, 2012, 29(11): 79-82, 153.
|
|
|
|
| [15] |
刘丽. 弹道明胶的冲击与侵彻动力学研究[D]. 杭州; 浙江大学, 2014.
|
|
|
|
| [16] |
|
| [17] |
|
| [18] |
|
| [19] |
|
| [20] |
张金洋. 面向损伤评估的数字化人体建模研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2016.
|
|
|
|
| [21] |
刘苏苏. 轻武器典型杀伤元与靶标相互作用仿真及评估研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2017.
|
|
Study of simulation and assessment of the interaction between typical small arms ammo and target[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2017. (in Chinese)
|
|
| [22] |
李子轩. 基于解剖学结构的人体易损性评估技术研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2023.
|
|
|
|
| [23] |
田浩成. 基于改进毁伤矩阵的人员毁伤效能评估与应用[D]. 长沙: 国防科技大学, 2021.
|
|
|
|
| [24] |
莫根林, 吴志林, 刘坤. 球形破片侵彻明胶的瞬时空腔模型[J]. 兵工学报, 2013, 34(10): 1324-1328.
|
|
|
|
| [25] |
金永喜, 买瑞敏, 张敬敏, 等. 基于瞬时空腔效应的明胶靶标与肌肉目标等效性研究[J]. 兵工学报, 2014, 35(6): 935-939.
|
|
|
|
| [26] |
苑大威, 李丹, 王雪皎. 杀伤元侵彻明胶虚拟试验技术研究[J]. 兵工学报, 2016, 37(11): 1995-2001.
|
|
|
|
| [27] |
刘坤, 宁建国, 吴志林, 等. 球形破片侵彻明胶运动模型对比研究[J]. 中国科学:技术科学, 2017, 47(10): 1081-1092.
|
|
|
|
| [28] |
卢芳云, 彭永, 张克钒, 等. 目标易损性分析——共性方法[M]. 长沙: 国防科技大学出版社, 2023.
|
|
|
|
| [29] |
周继红. 量化评估创伤严重程度的标尺——创伤评分[J]. 伤害医学(电子版), 2014, 3(4): 1-2.
|
|
|
|
| [30] |
康建毅, 段朝霞, 张洁元, 等. 不同创伤评分系统在爆炸伤伤情评估中的比较[J]. 第三军医大学学报, 2019, 41(15): 1403-1406.
|
|
|
|
| [31] |
张绍祥, 王平安, 刘正津. 首套中国数字化可视人体图谱:Male and female[M]. 首套中国数字化可视人体图谱: Male and female, 2004.
|
|
|
|
| [32] |
国家技术管理局. 在产品设计中使用人体尺寸百分位通则: GB_T 12985—91[S]. 北京: 中国标准出版社, 1991.
|
|
State Technical Supervision Bureau. General principles of using human body dimensions percentile in product design: GB/T 12985—91[S]. Beijing: Standards Press of China, 1991. (in Chinese)
|
|
| [33] |
|
| [34] |
|
| [35] |
|
| [36] |
|
| [37] |
|
| [38] |
樊瑜波. 生物医用材料力学[M]. 北京: 科学出版社, 2023.
|
|
|
| [1] | 樊壮卿, 张双博, 卢芳云, 李彤华, 康建毅, 杨光明, 王建民. 人员易损性分析研究进展及应用综述[J]. 兵工学报, 2024, 45(9): 2888-2905. |
| [2] | 贾益宁, 温垚珂, 董方栋, 覃彬, 李子轩, 郑浩. 基于人体解剖结构的防护装备性能及武器杀伤效能评估[J]. 兵工学报, 2024, 45(8): 2774-2783. |
| 阅读次数 | ||||||
|
全文 |
|
|||||
|
摘要 |
|
|||||
京公网安备11010802024360号 京ICP备05059581号-4