弹箭与制导学报

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2025 , Vol. 45 >Issue 6: 1082 - 1088

DOI: https://doi.org/10.15892/j.cnki.djzdxb.2025.06.016

学术文章

半密闭环境内人体躯干超压测试系统研究

  • 秦昊 , 1, 2 ,
  • 尤文斌 , 1, 2, * ,
  • 丁永红 1
展开
  • 1 中北大学电子测试技术重点实验室,山西 太原 030051
  • 2 中北大学电气与控制工程学院,山西 太原 030051
尤文斌(1981—),男,教授。E-mail:。

秦昊(1994—),男,硕士研究生。E-mail:。

收稿日期: 2024-10-24

  网络出版日期: 2026-01-24

基金资助

国家自然科学基金项目(61701445)

中北大学重点实验室开放研究基金项目(DXMBJJ2020-7)

收起

Research on Human Torso Overpressure Test System in Semi-Closed Environment

  • QIN Hao , 1, 2 ,
  • YOU Wenbin , 1, 2, * ,
  • DING Yonghong 1
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  • 1 Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China, Taiyuan 030051,Shanxi,China
  • 2 School of Electrical and Control Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,Shanxi,China

Received date: 2024-10-24

  Online published: 2026-01-24

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摘要

针对半密闭环境内人体躯干超压测试的挑战,本研究提出一种新型测试系统。该系统采用基于特定人体躯干力学分析设计的拟人躯干测试结构,其传感器布局精准定位前、后、左、右四个方向以精确测量不同方位的冲击波压力;运用具有1MHz的多通道数据采集装置,确保获取准确且全面的超压峰值、正压持续时间等参数;建立二分之一有限元模型进行数值模拟,此模型充分考虑半密闭环境边界条件与人体躯干结构耦合特性,有效模拟冲击波在该复杂环境中的传播过程。在 200g TNT 炸药的半密闭环境实验中,测得距离爆心2000mm处前面超压范围为145.12kPa至196.31kPa,侧面次之为58.83kPa至82.55kPa,背面最小为24.69kPa至27.31kPa。对比实验、仿真与经验公式结果,前面和侧面的仿真数据与实验数值一致性较好,背面因半密闭环境流场复杂致使误差增大;经验公式因推导条件差异与测试结果存在一定误差,但侧面一致性仍较好。

关键词： 爆炸冲击波超压; 半密闭环境; 人体躯干; 测试; 数据分析

本文引用格式

秦昊 , 尤文斌 , 丁永红 . 半密闭环境内人体躯干超压测试系统研究[J]. 弹箭与制导学报, 2025 , 45(6) : 1082 -1088 . DOI: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2025.06.016

Abstract

In response to the challenges of overpressure testing on the human torso within a semi-enclosed environment,a novel testing system was proposed.This system took into account the complex propagation characteristics of shock waves in semi-enclosed spaces and was designed with a new type of testing structure that employs an anthropomorphic torso test configuration and a multi-channel data acquisition device.A half finite element model was also established for numerical simulation.During the semi-enclosed environment experiment with 200g of TNT explosive,the overpressure at a distance of 2000mm from the epicenter was measured to range from 145.12kPa to 196.31kPa on the front side,followed by the side with a range of 58.83kPa to 82.55kPa,and the back side was the lowest,ranging from 24.69kPa to 27.31kPa.Comparing the experimental results with the simulation results and empirical formulas,the consistency between the simulation data and the experimental values was found to be good on the front and side.However,on the back side,due to the complexity of the flow field within the semi-enclosed environment,the influence of diffraction and reflection led to an increase in error.Additionally,the empirical formula results varied from the test results due to different experimental conditions during the derivation of the formula,but the consistency on the side was still good.

Key words： explosion shock wave overpressure; semi-closed environment; human torso; measurement; data analysis

0 引言

爆炸冲击波超压(以下简称“超压”)是造成人员伤害的主要致命因素之一。在半密闭环境中,爆炸产生的冲击波载荷与在开放环境中的表现存在显著差异。由于冲击波经过多次反射、叠加和汇聚,其在空间中的传播与分布变得极其复杂[1],这使得对该环境内的毁伤评估变得非常困难。针对此类研究,国内外进行了大量实验和仿真模拟研究[2]。Feldgun[3]、Donahue[4]和Fedina[5]对爆炸后的燃效应进行了深入研究,通过简化实验模型并采用数值计算方法进行了分析,但未深入研究对人体的影响。Hu等[6]在研究密闭环境爆炸时发现,超压曲线包括初始超压峰值、反射峰值以及准静态压力,但仅在理想条件下,对准静态压力进行了测试。Baker等[7]的研究表明,冲击波反射只需要关注前三个明显的峰值,未能深入研究反射对人体的针对性。美国国防部[8]通过结合理论与试验数据,仅在其标准中给出了简化的压力-时间历程曲线。徐景林等[9]利用数值模拟软件对圆柱形结构内的爆炸进行了仿真。周杰[10]等采用了有限元分析的方式,探究了人体胸部受到爆炸冲击作用的过程,但未考虑半密闭环境的复杂情况。王波[11]等构建了人体-爆炸流场有限元模型,通过与爆炸事故中人员损伤情况比对,验证了模型的有效性,但未能对环境因素做深入研究。
然而,前人研究多侧重于特定环境或整体爆炸效应,对于半密闭环境中人体躯干超压测试,仍缺乏精确且针对性强的测试系统与方法。例如,部分研究未充分考虑半密闭环境中多次反射、叠加和汇聚对人体躯干不同部位受力的复杂影响,以及在实际测试中如何准确获取多方位超压数据等问题。

1 人体躯干超压测试系统及方法

本研究基于上述不足,设计了用于半密闭环境下人体躯干爆炸超压的测试系统,聚焦半密闭环境下人体躯干所受超压这一关键,通过设计的仿真与实验,测试人在直立状态下所承受的爆炸冲击波超压,能有效获取多方位超压数据,充分考虑半密闭环境对人体躯干不同部位的影响,为半密闭环境中爆炸毁伤测试与风险评估提供新方法,具有重要的理论与实践意义。

1.1 拟人躯干测试结构拟人躯干测试结构拟人躯干测试结构

为了测试人体躯干在爆炸超压下的受力情况,设计了一种拟人躯干测试结构(以下简称“结构”)。该结构选用高强度铝材制造,铝材具有高屈服强度和良好韧性,能够有效承受爆炸冲击产生的瞬间高压力而不变形损坏,确保测试的稳定性与可靠性。结构整体高度为1642mm,主体高度设定为762mm,直径为305mm,此尺寸依据人体躯干的平均比例确定,有助于模拟真实人体躯干在半密闭环境中的受力状态[12]。支架高度为 880mm,其高度设计不仅为结构提供稳固支撑,确保在爆炸冲击下结构不发生位移或晃动,而且合理定位了传感器高度,使其处于能够准确捕捉不同高度位置冲击波压力变化的位置,保证测量数据的准确性。在圆筒高度的中部(1/2 高度处)位置安装抗冲击载荷的缓冲结构,并在前、后、左、右四个方向安装传感器,用于测量冲击波压力,如图1所示。
图1 拟人躯干的测试结构

Fig.1 The test structure of a human torso

1.2 数据采集测试设备

本文采用文献[13]中设计采样率为1MHz的多通道数据采集装置,该装置基于先进的爆炸冲击波动态压力测试原理,旨在满足半密闭环境下人体躯干超压测试的高精度和高可靠性要求。装置中的 4 个通道分别连接PCB公司生产的ICP-113B28压力传感器,传感器的固有频率超过500kHz,响应上升时间小于1μs,该传感器具有卓越的高频响应特性。经过灵敏度测试,该装置能够获取在统一时基下多个测点的超压峰值、正压持续时间等参数指标,如图2所示。
图2 多通道采集装置测试

Fig.2 Multi-channel acquisition device test experiment

1.3 半密闭环境内测试条件

测试使用了200g TNT炸药,试验场地为半径3500mm的半密闭空间。根据爆炸力学原理[6],当炸药高度与装药质量的立方根之比大于0.35时,才可以忽略截面反射的影响。在本试验的半密闭空间中,该比例关系直接影响冲击波的传播路径和反射特性。若药柱高度过低,冲击波在传播过程中会因截面反射过早发生复杂的叠加和干扰,导致各测点超压测量结果受反射波影响过大,无法准确反映真实的爆炸冲击情况。而选择 1500mm 高度时,经过模拟分析,在保证有效爆炸能量释放的同时,能够使冲击波相对稳定地传播至各测点,减少不必要的反射干扰,使得测量结果更能体现半密闭环境中人体躯干所承受的真实超压。同时,该高度与半密闭空间的尺寸比例协调,有助于在整个测试区域内形成较为均匀且可预测的冲击波场,有利于提高测试数据的准确性和可重复性。试验场地的布置如图3所示,以距离爆心2m为半径,布设了自由场测点1、2作为对照组,以及拟人躯干测试结构的测点3、4。
图3 实验场地内部布设图

Fig.3 Layout of the interior of the experiment site

2 半密闭环境内人体躯干超压数值模拟

2.1 仿真模型及参数确定半密闭环境内人体躯干超压数值模拟

本文采用任意拉格朗日-欧拉算法(Arbitrary Lagrange-Euler,ALE)[14],结合流-固耦合方法进行爆炸模拟[7],并针对人体躯干仿真测试建立了如图4所示的二分之一模型。
图4 仿真示意图

Fig.4 Simulation diagram

仿真中采用半密闭结构,将半密闭环境简化为顶部无反射边界的简易模型[15],这一简化基于实际半密闭环境的特性,如部分半密闭空间顶部存在开口或通风口,使得冲击波在顶部反射相对较弱,该简化模型能够在保证一定精度的前提下有效减少计算量,提高模拟效率。同时,将半密闭环境的壁面和地面设置为反射边界,对称面施加对称边界,内部填充半径为3500mm的扇形空气域,这些设置准确模拟了半密闭环境中冲击波的传播和反射条件。冲击波测试结构由硬铝材料制成,其结构高度为1642mm,此高度是经过多次模拟优化确定的,考虑了与人体躯干实际高度的比例关系以及在该高度下对冲击波绕射和反射特性的影响。距离爆心 2000mm的布置位置也是精心选择的,该距离位于半密闭环境中冲击波传播的典型区域,能够涵盖不同反射和绕射阶段的超压变化情况,确保获取具有代表性的超压数据,为后续分析提供可靠依据。炸药为TNT材料,起爆高度距离地面1500mm,这一参数与实际实验条件保持一致,保证模拟场景与真实爆炸情况相符。

2.2 测试仿真云图与数据分析

仿真场内的压力云图如图5所示。TNT起爆后,释放大量能量,体积迅速向外膨胀,形成冲击波,如图5(a)所示。在1.57ms时,爆炸冲击波接触到爆心正下方,使地面处的压力值显著增加,如图5(b)所示。随后,在2.75ms时,冲击波继续向前推进,并与地面发生斜反射,如图5(c)所示。在3.16ms时,入射波作用于结构,拟人躯干测试结构前方的冲击波第一峰值超压达到最大值,曲线如图6(a)所示。由于爆炸冲击波的阻抗小于结构壁面的阻抗,结构对冲击波产生阻挡作用,并发生反射,形成与爆炸冲击波方向相反的反射波。反射波沿相反方向传播,并与后续的冲击波相互抵消,使内部压力迅速下降。
图5 仿真云图

Fig.5 Simulated cloud image

图6 2m位置仿真数据曲线图

Fig.6 2m from the detonation center

随后,冲击波超压发生绕射,冲击波沿着结构壁面传播,此时圆柱结构的每个点相当于一个折点,每个点都会发出一道弱膨胀波,改变传播方向。此过程中侧面第一峰值超压曲线如图6(b)所示。在4.67ms时,冲击波完全绕过圆柱结构,背爆面曲线如图6(c)所示,如图5(e)。在5.35ms时,由于斜反射的冲击波再次作用于结构,第二峰值出现在图6(a)中,如图5(f)所示。
接着,冲击波继续向前传播,直至8.34ms时冲击波汇聚于半密闭环境的结构壁面,如图5(g)所示。随后,与壁面接触的冲击波再次发生反射,在11.23ms时绕射到结构迎爆面,产生了图6(a)中的第三峰值,如图5(h)所示。此后,超压逐渐降低,反射波与入射波相互作用,能量逐渐消散,直到场内压力趋于稳定。
各测点的仿真超压曲线如图6所示。由于冲击波在结构前方发生了正反射和斜反射,导致前方的第一超压峰值最大。随后,冲击波绕射到结构侧面并发生斜反射,使得侧面的第一超压峰值低于前方的第一超压峰值,约为其一半。背面的第一超压峰值上升缓慢,且明显低于前方和侧面。由于半密闭环境壁面的反射作用,前方和侧面的第二超压峰值大于背面。反射后,背面的第三超压峰值显著高于前方和侧面的观测点。三个观测点的第一峰值正压持续时间短于第二峰值,而第三峰值的正压持续时间最长。

3 半密闭环境内人体躯干测试系统实验研究

3.1 半密闭环境下人体躯干实验结果分析

在200g当量TNT爆炸下,进行3次重复实验,实验现场布设如图7所示。
图7 实验现场布设图

Fig.7 Layout of the experiment site

结果表明,相比于自由场测试,在半密闭环境下,爆炸冲击波会在壁面上多次反射,各个测点的实测超压曲线呈现出多个峰值。
从图8(a)分析,在相同小当量下,距离爆心2m的结构上,爆炸冲击波与结构发生绕射,导致每个观测点的时间偏差。
图8 测点3与自由场1超压曲线图

Fig.8 Overpressure curves of measuring point 3 and free field 1

以测点3为例,在第一峰值形成过程中,爆炸冲击波从爆心向外传播,当冲击波波阵面垂直射向3-1测点时,发生正反射,入射波与反射波叠加,使得该测点超压值最高。由于冲击波在传播过程中具有方向性,其能量在不同方向上的分布不均匀,当冲击波到达3-2和3-3测点时,部分能量已在传播过程中因绕射而分散,同时受到来自壁面的斜反射波影响,这些反射波与入射波以一定角度干涉,导致超压峰值远低于3-1测点。对于3-4测点,由于冲击波需要绕过结构,绕射过程中能量进一步衰减,且到达该测点时入射波与反射波的叠加效果最弱,因此超压值低于3-2 测点和3-3测点。
测点3的第二峰值是由爆炸冲击波的入射波、马赫波和反射波共同形成的合成波。当冲击波传播至一定距离后,入射波与壁面反射波相遇,同时马赫波的产生也对压力场产生影响,三者相互作用形成复杂的压力分布,在不同测点处根据各自的几何位置关系(如与反射点、波源的距离和角度)产生不同的叠加效果,导致第二峰值在各测点的大小和出现时间存在差异。
第三峰值则由绕过结构后的冲击波与壁面反射引起,冲击波在半密闭环境中多次反射和绕射后,部分能量重新汇聚并作用于结构,与壁面反射波再次叠加,在测点3处形成第三峰值,其大小和出现时间同样受到测点位置与反射波路径关系的影响。对比测点3与自由场1测点超压曲线,两者整体曲线规律一致,但半密闭环境因壁面反射作用,使得其超压曲线在细节上呈现出更多峰值和复杂变化。
对比图8(a)和图8(b)中的冲击波测试结构测点与自由场测点超压曲线,两者整体曲线规律一致。爆炸冲击波的第一峰值正压时间大于第二峰值。对于半密闭环境,由于壁面具有反射作用,但反射次数有限,在数据分析时需要重点考虑前三个峰值。
对上述数据进行分析,在半密闭环境中,测量时由于爆炸冲击波的波阵面垂直射向传感器的敏感面,导致测量值为反射压;而侧面的爆炸冲击波由于绕射、斜反射等原因掠过传感器端面,测量值为入射压;背面由于绕射作用,超压远低于其他两个位置。与自由场测点数据相比,侧面冲击波的超压值与自由场冲击波的超压值数据相近。

3.2 拟人躯干测试结构数据对比分析

由于爆炸问题复杂,爆炸冲击波超压峰值的各种经验预测在小比例距离范围内会有一些偏差,本文分别选取Henrych经验公式、Sadovskyi超压峰值经验公式来验证数值模拟结果的正确性[9]。文献表明,当比例距离小于1时,误差会较大[6]。以测点3为例,在0.2kg当量TNT作用下,计算结果如下:3-4测点距离爆心2m,比例距离R为3.42;3-2和3-3测点距离爆心2.2m,比例距离R为3.93;3-4测点距离爆心2.3m,比例距离R约为3.76。三种位置下实验数值与经验公式超压峰值的对比如表2所示。
表1 测试点3实验数据表

Table 1 Experimental data table of test point 3

First peak Second peak Third peak
Position Overpressure
peak/kPa		 Barotropic
time/ms		 Overpressure
peak/kPa		 Barotropic
time/ms		 Overpressure
peak/kPa		 Barotropic
time/ms
First experiment 1 97.16 1.07 23.15 1.44 10.38 -
2 43.01 1.77 38.82 2.68 - -
3-1 153.83 1.24 58.13 0.76 16.11 2.23
3-2 60.71 1.20 25.42 1.27 10.33 -
3-3 59.52 1.02 28.37 0.85 22.15 1.23
3-4 27.04 1.83 19.24 1.16 32.47 2.28
4-1 137.51 1.04 112.65 0.71 - -
4-2 76.54 1.05 77.52 0.90 22.32 0.36
4-3 41.65 1.23 42.83 0.91 18.86 0.42
4-4 26.59 - 42.31 0.59 40.01 0.94
Second
experiment		 1 41.64 1.42 27.53 2.04 13.53 -
2 63.62 1.82 19.33 1.95 13.03 -
3-1 145.12 1.03 60.91 1.01 17.4 -
3-2 58.83 1.01 27.62 1.20 10.11 1.32
3-3 66.27 1.08 38.71 1.06 13.32 2.42
3-4 24.69 1.70 18.6 1.01 24.31 1.63
4-1 121.51 1.24 77.00 0.99 38.55 2.34
4-2 66.24 1.27 38.70 1.14 13.33 2.45
4-3 42.61 1.99 30.05 1.27 25.43 2.92
4-4 36.33 1.79 23.17 1.17 49.62 1.24
Third experiment 1 53.38 1.438 28.55 1.37 - -
2 64.62 1.57 32.37 1.98 15.74 -
3-1 196.31 1.03 64.55 0.82 21.63 1.88
3-2 82.55 1.00 28.56 1.29 14.43 -
3-3 76.12 0.95 31.65 0.92 21.63 1.08
3-4 27.31 1.54 22.17 1.21 20.55 1.93
4-1 140.23 1.06 108.11 0.99 6.47 0.46
4-2 80.19 1.07 51.29 1.32 11.54 0.79
4-3 46.73 1.75 36.81 1.22 19.31 0.89
4-4 45.81 2.11 25.94 1.53 39.43 0.99
表2 数值模拟和经验公式超压峰值对比

Table 2 Comparison of overpressure peaks between numerical simulation and empirical formula

Position Predicted value/MPa Error/%
3-1(Front) 0.0637(Henrych) 58.37
0.0651(Sadovskyi) 57.45
0.1243(Simulation) 18.76
0.153(Experimental) -
3-2(Side) 0.0536(Henrych) 7.59
0.0545(Sadovskyi) 6.03
0.0537(Simulation) 7.41
0.058(Experimental) -
3-4(Back) 0.0647(Henrych) 304.38
0.0503(Sadovskyi) 214.36
0.0239(Simulation) 49.38
0.016(Experimental) -
由表可知,在比例距离为3.42、3.39和3.76的情况下,各个经验公式的结果存在一定的误差,但侧面超压一致性较好。这是由于推导经验公式时的实验条件不同,加之冲击波在结构壁面上形成多次反射,使得各测点曲线呈现出多个波形。然而,可以观察到3-1测点和3-2测点的仿真数据与实验数值之间的一致性较好。而背对爆心的3-4测点,由于半密闭环境内流场复杂,受到绕射和反射的影响,导致误差增大。由于实验次数有限,数据存在一定的离散性,但整体上符合实际情况。

4 结论

本研究成功设计了一种用于半密闭爆炸环境中的人体躯干超压测试系统,并通过实验和数值模拟深入分析了该环境下人体躯干所承受的超压特性,得出以下关于半密闭爆炸环境中人体躯干超压(MEFP)的规律性结论:
1) 在3500mm的半密闭环境下,距离爆心2000mm时,人体躯干不同部位所受超压存在明显差异,其规律为前面部分超压最大,侧面次之,背面最小,此规律为半密闭环境中的爆炸风险评估提供关键数据基础,利于更精准评估人员在该环境下遭受爆炸冲击的危险程度。
2) 半密闭环境中爆炸冲击波在壁面反射会使测点超压曲线呈现多峰值特征,这一特性为深入理解半密闭环境内爆炸力学行为提供重要依据,对优化防护装备设计有重要指导意义,可依据不同部位超压特点针对性加强防护结构的强度和缓冲性能。

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