空氣沖擊波作用下肺部載荷特性數(shù)值模擬

巨圓圓，阮狄克，徐 成，胡 明，劉立洋，陳佳海，王 靜，李 軍，龍仁榮

當今世界局部戰(zhàn)爭時有發(fā)生，戰(zhàn)爭模式和作戰(zhàn)武器不斷變化，爆炸傷比例越來越大[1]。爆炸性武器的主要毀傷元素是破片和沖擊波，分別對生物目標造成破片傷和沖擊傷。有研究表明，伊拉克戰(zhàn)爭和阿富汗戰(zhàn)爭中78%的傷員由爆炸傷引起，破片傷比例為53%～81%，沖擊傷比例約為50%[2-5]。沖擊波對肺部的損傷是致命關(guān)鍵因素[6]。沖擊波對生物組織的損傷過程，既是沖擊波作用于生物組織的力學(xué)過程，也是生物組織以其獨特而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和材料特性響應(yīng)沖擊波作用的過程[7]。

數(shù)值模擬作為研究沖擊波對動物致傷效應(yīng)的一種新手段，已經(jīng)受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。兔體型適中，實驗成本低，初步有限元模擬可為后期建立小藥量爆炸傷實驗動物模型奠定基礎(chǔ)。作者通過建立兔胸部二維平面模型，利用ANSYS Autodyn有限元分析軟件模擬空氣沖擊波與兔胸部的相互作用，分析空氣沖擊波作用下兔肺部載荷特性，為沖擊波毀傷評估及其防護救治提供參考。

1 方法

1.1 胸部簡化模型 基于兔胸部CT掃描數(shù)據(jù)，測量得到胸部結(jié)構(gòu)特征尺寸，將胸部截面簡化為圓形，包括肌肉、骨骼和肺臟，建立二維平面模型，見圖1。

1.2 有限元計算模型 模擬空氣沖擊波對目標毀傷可以分2步進行：①建立一維計算模型，模擬空氣沖擊波的生成；②將一維計算結(jié)果作為初始條件，計算空氣沖擊波對目標的毀傷。

圖1 兔胸部二維平面模型

空氣沖擊波一維計算模型如圖2所示。TNT裝藥質(zhì)量90 g，裝藥密度1.63 g/cm3，空氣域半徑為3 m，采用歐拉單元劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為3 mm。為了監(jiān)測不同爆炸距離處空氣沖擊波壓力歷史，在0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m處設(shè)置示蹤點，分別標記為1、2、3、4。

圖2 空氣沖擊波一維計算模型

圖3為兔胸部沖擊傷有限元計算模型?？諝庥虼笮? 200 mm×420 mm，采用歐拉單元劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為3 mm。兔胸部采用拉格朗日單元劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為1 mm，肌肉、骨骼和肺臟采用共節(jié)點連接方式。在空氣域中導(dǎo)入0.5 m爆炸距離處的空氣沖擊波載荷，利用流固耦合算法模擬空氣沖擊波與兔胸部的相互作用，空氣域四周采用無反射邊界條件，如圖3A所示。為了觀測應(yīng)力波在胸部的傳播特性，分別在迎爆面、側(cè)面和背爆面3個位置設(shè)置示蹤點，如圖3B所示，其中，示蹤點1、2、3、4設(shè)置在迎爆面肌肉表面、肌肉、骨骼和肺臟中；示蹤點5、6、7、8設(shè)置在側(cè)面肌肉表面、肌肉、骨骼和肺臟中；示蹤點9、10、11、12設(shè)置在背爆面肌肉表面、肌肉、骨骼和肺臟中。

A：空氣沖擊波對兔胸部致傷的計算模型；B：兔胸部示蹤點布置示意圖圖3 兔胸部沖擊傷有限元計算模型

1.3 材料模型及參數(shù) 數(shù)值模擬中空氣采用理想氣體狀態(tài)方程，密度ρ=1.23×10-3g·cm-3，氣體常數(shù)γ=1.4。炸藥爆轟產(chǎn)物采用JWL(Jones--Wilkins-Lee)狀態(tài)方程，炸藥密度ρ=1.63 g·cm-3，系數(shù)A=3.74×108KPa、B=3.74×106KPa、R1=4.15、R2=0.9、ω=0.35。肌肉和肺臟均采用線粘彈性本構(gòu)模型，密度分別為ρ=1.2 g·cm-3和ρ=0.6 g·cm-3，靜態(tài)剪切模量分別為G0=200 KPa和G0=67 KPa，瞬態(tài)剪切模量分別為G1=195 KPa和G1=65 KPa，體積模量分別為K=2.9 GPa和K=0.744 GPa，粘彈性衰減常數(shù)均為β=0.1；骨骼采用彈性本構(gòu)模型，密度ρ=1.33 g·cm-3，楊氏模量E=0.355 GPa，泊松比ν=0.26[8-9]。

2 結(jié)果

2.1 空氣沖擊波壓力 圖4為不同爆炸距離處空氣沖擊波壓力時程曲線?？梢钥闯?，爆炸距離越近，空氣沖擊波峰值超壓越大，正壓作用時間越短，沖擊波強度隨時間衰減越快；爆炸距離越遠，空氣沖擊波峰值超壓越小，正壓作用時間越長，沖擊波強度隨時間衰減越慢。爆炸距離為0.5 m時，沖擊波峰值超壓為0.6 MPa，正壓作用時間為0.4 ms。

表1 不同爆炸距離處空氣沖擊波峰值超壓對比

2.2 胸部不同組織內(nèi)壓力分布 圖5為兔胸部不同位置處肌肉表面、肌肉、骨骼和肺部壓力隨時間的變化曲線。從圖5A可以看出，空氣沖擊波到達胸部表面時，由于肌肉的反射，產(chǎn)生壁面壓力波，其強度遠大于空氣沖擊波強度，壁面壓力波隨后分別透射進入肌肉、骨骼和肺部產(chǎn)生應(yīng)力波，其中，骨骼中應(yīng)力波峰值最大，肺部應(yīng)力波峰值最小。從圖5B、5C可以看出，肌肉、骨骼和肺部應(yīng)力波傳播速度大于壁面壓力波傳播速度，而且骨骼中應(yīng)力波傳播速度最快，因此，肌肉和肺部的初始應(yīng)力波由骨骼中的應(yīng)力波透射引起；另外，圖5C表明，肺部遠離空氣沖擊波直接作用的區(qū)域先產(chǎn)生拉伸波，隨后由于壁面壓力波的壓縮作用，肺部的拉伸波轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s波。

圖5 兔胸部不同組織中壓力時程曲線

2.3 肺部壓力分布 圖6為兔肺部不同位置處壓力隨時間的變化曲線?？梢钥闯?，肺部同時存在壓縮波和拉伸波2類不同的應(yīng)力波，在迎爆面處，壁面壓力波經(jīng)由肌肉和骨骼透射進入肺部，產(chǎn)生壓縮波，壓力峰值為0.82 MPa，隨后壓力迅速衰減，肺部壓力主要受到骨骼-肺臟界面反射的影響；在背爆面處，骨骼中的應(yīng)力波透射進入肺部，產(chǎn)生拉伸波，壓力峰值為0.4 MPa，隨后壁面壓力波到達肺臟，肺部應(yīng)力波轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s波，肺部壓力同時受到經(jīng)骨骼透射的應(yīng)力波、骨骼變形運動引起的應(yīng)力波以及骨骼-肺臟界面反射的應(yīng)力波的影響。

圖6 兔肺部不同位置處壓力時程曲線

3 討論

沖擊波會引起多種組織器官損傷，含氣組織器官對沖擊波致傷更為敏感，特別是肺臟，損傷率最高，損傷程度也最重[11-13]。Clemedson[14]指出爆炸創(chuàng)傷是爆炸沖擊波與人體生物器官相互作用產(chǎn)生的效應(yīng)，其中含氣器官最易受到創(chuàng)傷，肺水腫、肺出血及動脈氣栓是造成死亡的主要因素，沖擊波的超壓值、作用時間及波形共同決定了創(chuàng)傷效應(yīng)。侯曉彬等[15]通過電起爆預(yù)制破片鋁制雷管致兔胸部爆炸傷實驗，結(jié)果表明沖擊波主要靶器官為肺臟，沖擊傷致急性肺功能損傷是傷后早期死亡的主要原因。徐立和金海[16]通過實驗證明密閉環(huán)境中大鼠肺部爆炸傷傷情隨沖擊波強度的增大而加重，死亡率隨體內(nèi)腫瘤壞死因子α及白細胞介素6的增加而升高。梁毅等[17]建立了幼兔重度肺沖擊傷實驗動物模型，為肺沖擊傷機制和損傷救治研究提供理想的動物模型。Boutillier等[18]對復(fù)雜沖擊波與胸部替代品的相互作用及沖擊波波形對胸部響應(yīng)的影響進行了實驗研究，結(jié)果表明，胸部速度和位移峰值是胸部損傷標準的重要參數(shù)。劉邦鑫等[19]對艙室內(nèi)爆炸條件下生物體的損傷情況和傷情特點進行了研究。因此，本研究以兔胸部為研究對象，分析空氣沖擊波作用下兔肺部載荷特性，具有典型性。

國內(nèi)外研究者針對沖擊波作用下動物胸部的致傷特性開展了大量的數(shù)值模擬研究。Roberts和Chen[20]于1970年首次建立人體胸部有限元模型，該模型忽略了軟組織特性，使用線彈性屬性，僅對胸骨施加了靜態(tài)載荷。在后續(xù)的研究中，Chen[21-22]使用動態(tài)模型合成技術(shù)和“胸腔/子系統(tǒng)”模型合成技術(shù)對該模型進行擴展，合成了內(nèi)臟子系統(tǒng)。Lashkari等[23]建立人體胸部有限元模型并進行爆炸傷模擬，結(jié)果表明人體器官的創(chuàng)傷程度和類型與沖擊波特性、身體朝向、防護裝備和爆炸次數(shù)等相關(guān)。本研究利用ANSYS Autodyn有限元分析軟件對空氣沖擊波作用下兔胸部的動態(tài)響應(yīng)特性進行數(shù)值模擬。ANSYS Autodyn有限元分析軟件集成于ANSYS軟件平臺，擁有高精度多物質(zhì)Euler-Godunov求解器、豐富的材料模型數(shù)據(jù)庫、靈活的一維映射技術(shù)、完全的流固耦合算法以及有效的并行求解技術(shù)等，在模擬爆轟波的形成、傳播以及對目標的毀傷效應(yīng)方面具有模擬精度高和計算效率快的特點，是爆炸力學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的有限元分析軟件之一[24]。球形TNT裝藥中心起爆后，產(chǎn)生高溫高壓爆轟產(chǎn)物，強烈壓縮周圍空氣，從而形成空氣沖擊波?？諝鉀_擊波與目標接觸之前，以球?qū)ΨQ形式向四周傳播。本研究首先通過一維映射技術(shù)計算空氣沖擊波的形成，然后利用流固耦合算法模擬空氣沖擊波與兔胸部的相互作用，既節(jié)省了計算資源又保證了計算精度。

Bowen等[25]對大量動物爆炸傷實驗數(shù)據(jù)進行了總結(jié)分析，繪制了著名的Bowen創(chuàng)傷曲線，并且發(fā)現(xiàn)兔比人體對空氣沖擊波的承受能力小。Gruss[26]和Bass等[27]分別對Bowen創(chuàng)傷曲線進行了修正。參考修正的Bowen創(chuàng)傷曲線，可以發(fā)現(xiàn)90 g TNT裝藥爆炸會造成0.5 m爆炸距離處的兔死亡。本研究數(shù)值模擬結(jié)果表明，兔肺部迎爆面、側(cè)面和背爆面處的壓力峰值分別為0.82 MPa、0.5 MPa和0.4 MPa。空氣沖擊波造成人體肺部重傷的壓力閾值為0.24 MPa[8]?？梢酝茢?，90 g TNT裝藥爆炸會造成0.5 m爆炸距離處的兔死亡，這與參考修正的Bowen創(chuàng)傷曲線的結(jié)果一致。因此，本研究數(shù)值模擬的結(jié)果是可靠的。

兔胸部在空氣沖擊波作用下動態(tài)響應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果表明，在沖擊波與胸部接觸的局部區(qū)域，肺部壓力首先由壁面壓力波經(jīng)肌肉、骨骼透射進入肺部產(chǎn)生；肺部其他區(qū)域的壓力首先由骨骼中傳播的應(yīng)力波透射進入肺部產(chǎn)生，即由沖擊波作用下胸部結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)引起?？諝鉀_擊波作用下，兔肺部載荷來源于4個方面：①空氣沖擊波在胸部表面反射產(chǎn)生的壁面壓力波經(jīng)肌肉、骨骼透射進入肺部的應(yīng)力波；②骨骼變形運動在肺部引起的應(yīng)力波，這與康建毅等[28]對動物在密閉艙室內(nèi)空氣沖擊波作用下的動態(tài)響應(yīng)試驗結(jié)果一致，胸壁的變形運動與損傷嚴重程度有較好的相關(guān)關(guān)系，是預(yù)測沖擊傷傷情的可靠參數(shù)；③由骨骼-肺界面反射產(chǎn)生的應(yīng)力波；④肺部各種波動共同作用形成負壓區(qū)，進而引起的空穴效應(yīng)。這與一些學(xué)者對沖擊波作用下顱腦創(chuàng)傷的研究結(jié)果相似。Panzer等[29]建立人體顱腦有限元模型，對不同沖擊波條件下顱腦動態(tài)響應(yīng)進行數(shù)值模擬，探討了腦脊髓液空穴現(xiàn)象對顱腦創(chuàng)傷的影響。第1種載荷是空氣沖擊波對兔肺部的直接作用，主要對沖擊波與胸部接觸的局部區(qū)域造成損傷；后3種載荷是空氣沖擊波對兔肺部的間接作用，主要對骨骼與肺部接觸的區(qū)域造成損傷。

本研究通過數(shù)值模擬，獲得了空氣沖擊波作用下兔胸部各組織中應(yīng)力波的傳播過程以及兔肺部載荷特性。但是，存在以下2點局限：①將兔胸部簡化為二維平面模型，沒有考慮胸部具體組織結(jié)構(gòu)；②只考慮空氣沖擊波通過胸部組織在肺臟中引起的損傷，而沒有考慮空氣沖擊波通過呼吸道進入肺臟引起的損傷。在以后的研究中，將進一步完善胸部有限元模型，并考慮沖擊波通過呼吸系統(tǒng)對肺臟造成的損傷，為更加準確地模擬預(yù)測肺部沖擊傷以及揭示肺部沖擊傷機理奠定基礎(chǔ)。

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