爆炸冲击波对人体胸部力学响应有限元数值模拟研究

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人体胸部是冲击波作用的主要标靶之一,爆炸冲击波会对胸腔内压产生巨大影响,冲击波所产生的高压会导致胸腔、骨骼的形变,对人体产生巨大伤害。对于爆炸冲击波及其作用于人体上的冲击力学响应研究通常是真实的爆炸实验与动物实验相结合,不仅成本较高、精度较低、操作危险,且难以重复和标准化。利用计算机有限元数值模拟技术,获取爆炸冲击波的传播规律及其对人体胸部的力学响应特性,为人员冲击致伤的早期防护、快速诊断和有效治疗提供依据及实验指导,无疑具有重要理论意义和潜在的实用价值。  基于此,本论文从正常人体的螺旋CT扫描数据出发,利用计算机辅助设计等手段,在借助Mimics软件完成人体胸部三维表面模型重建的基础上,构建了由肌肉、骨骼、内脏器官所组成的人体胸部三维有限元模型。同时,以ANSYS/LS-DYNA软件为平台,搭建了由炸药和空气场所组成冲击波场以及相应的爆炸冲击波环境,借鉴经验公式选取0.5尺寸的网格划分方式,此时炸药与空气场的单元数分别为16783和86724。进而,利用LS-DYNA对炸药与空气场、冲击波与胸部之间的流-固耦合关系进行了分析,比较了在不同TNT当量情况下,同一测量点的超压峰值情况以及人体胸部前、后、左、右四个位置受到的冲击波压力情况,完成了人体胸部受到爆炸冲击波载荷的计算机模拟研究。研究结果表明:(1)ANSYS中网格划分尺寸对爆炸冲击波超压峰值有显著影响:网格划分为0.5时,超压峰值约为7MPa,网格划分为3时,超压峰值约为10MPa,两者相差达30%。(2)TNT炸药当量直接影响爆炸冲击波的超压峰值大小,初始TNT当量越大,超压峰值越大:同一测量点,TNT当量分别为0.815kg、1.63kg、2.415kg与3.26kg时,其超压峰值分别为30.025kPa、46.847kPa、98.211kPa和180.223kPa;(3)TNT装药为2.415kg时,人体前面朝向爆炸方向的超压峰值分别为40kPa和100kPa,人体背部受到的反射冲击波超压为60kPa;(4)TNT装药为3.26kg时,人体前后测量点受到的冲击波超压值分别为180kPa和100kPa;(5)两种不同的TNT装药量条件下,冲击波到达目标区域的时刻有所不同:装药量分别为2.415kg与3.26kg时,超压峰值到达的时刻分别为2.7ms和3ms,相差约为0.3ms。  上述研究结果与相关文献报道一致,较好地反映出胸部受冲击时的动态力学响应情况,这不仅为深入研究爆炸冲击波的生物杀伤效应奠定基础,对于实验研究亦具有重要的指导意义。
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