徐 成，巨圓圓，胡 明，龍仁榮，阮狄克

局部戰(zhàn)爭(zhēng)、恐怖襲擊和工業(yè)生產(chǎn)爆炸事故時(shí)有發(fā)生，沖擊波對(duì)人體造成的創(chuàng)傷受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-3]。爆炸沖擊波作用下，肺部最易受到損傷[4]。本研究通過開展兔沖擊傷實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，獲得不同爆炸沖擊波作用下兔肺部損傷傷情和胸壁變形速度，建立胸壁變形速度與肺部損傷度之間的函數(shù)關(guān)系。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象與方法 開展不同爆炸沖擊波作用下兔肺部損傷實(shí)驗(yàn)，獲得不同爆炸距離處兔肺部損傷傷情。實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)徑比1∶1的柱形TNT裝藥，裝藥量為90 g。炸藥采用電雷管起爆，利用自由場(chǎng)壓力傳感器對(duì)沖擊波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并利用數(shù)字示波器記錄數(shù)據(jù)。選取12只健康新西蘭大白兔[北京科宇動(dòng)物養(yǎng)殖中心提供，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物許可證編號(hào)SCXK(京)2017-0002號(hào))]，體質(zhì)量(2.0～2.5)kg，距炸藥中心距離為R1=0.50 m、R2=0.60 m、R3=0.70 m、R4=0.90 m、R5=1.00 m、R6=1.20 m處分別布置2只兔和壓力傳感器，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物采用麻醉鎮(zhèn)靜，呈直立體位，面向爆源，炸藥離地面高度不低于1.0 m，炸藥和兔胸部位于同一水平面。爆炸后，對(duì)當(dāng)場(chǎng)死亡的兔立即解剖，其他兔觀察24 h后處死，進(jìn)行解剖，觀察肺部損傷情況，記錄肺部損傷面積按照柯文琪等[5]采用的評(píng)定方法進(jìn)行傷情評(píng)定，作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物損傷情況的判定標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而分析沖擊波作用下兔肺部損傷傷情。

1.2 數(shù)值模擬 對(duì)兔進(jìn)行CT掃描，獲得DICOM格式的原始數(shù)據(jù)，利用MIMICS和3-MATIC反向建模軟件，重構(gòu)兔胸部幾何模型，并利用HYPERMESH有限元前處理軟件劃分網(wǎng)格，建立兔胸部有限元計(jì)算模型。利用ANSYS/AUTODYN有限元分析軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得爆炸沖擊波作用下兔胸壁的變形速度。長(zhǎng)徑比1∶1的柱形裝藥爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波與兔胸部相互作用之前，近似以球?qū)ΨQ形式向四周傳播。因此，可以通過兩步模擬沖擊波對(duì)兔胸部的致傷效應(yīng)。第一步利用一維計(jì)算模型模擬沖擊波形成；第二步將一維計(jì)算結(jié)果作為初始條件，模擬沖擊波對(duì)兔胸部的損傷效應(yīng)。圖1為空氣沖擊波致兔胸部損傷的有限元計(jì)算模型。采用Euler-Lagrange流固耦合算法模擬沖擊波與兔胸部的相互作用，空氣域采用無反射邊界條件以避免沖擊波在邊界的反射，空氣采用理想氣體狀態(tài)方程，炸藥爆轟產(chǎn)物采用JWL狀態(tài)方程，兔胸部肌肉、心臟、肺臟采用線粘彈性本構(gòu)模型，骨骼采用彈性本構(gòu)模型，胸部主要材料參數(shù)見表1所示。

圖1 空氣沖擊波致兔胸部損傷有限元模型

E/GPaνG0/kPaG∞/kPaK/GPaβρ/g·cm-3肌肉--2001952.90.11.20肺臟--67650.7440.10.60心臟--67650.7440.11.00椎骨0.3550.26----1.33肋骨9.50.20----1.08胸骨9.50.25----1.25肩胛9.50.20----1.08

2 結(jié)果

2.1 肺部損傷傷情 0.5、0.6 m處實(shí)驗(yàn)動(dòng)物當(dāng)場(chǎng)死亡，肺部出現(xiàn)彌漫性出血；0.7 m處的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，肺部出現(xiàn)片狀出血，屬中度損傷；0.9、1.0m處實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，肺部有點(diǎn)狀出血，屬輕度損傷；1.2 m處實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，肺部有少量點(diǎn)狀出血，屬于輕度損傷。圖2為利用自由場(chǎng)壓力傳感器測(cè)量的沖擊波峰值超壓隨爆炸距離的變化曲線?？梢钥闯觯瑳_擊波峰值超壓隨著爆炸距離的增加迅速減小，0.5 m處的峰值超壓達(dá)到0.79 MPa，1.2 m處的峰值超壓為0.1 MPa，不同爆炸距離處，兔呈現(xiàn)死亡、中度損傷、輕度損傷3種不同傷情，隨著爆炸距離的增加，兔肺部損傷程度越來越輕。

圖2 沖擊波峰值超壓隨爆炸距離的變化曲線

2.2 胸壁變形速度 圖3為爆炸距離為0.5 m時(shí)，不同時(shí)刻胸壁變形速度云圖。t=0.265 ms時(shí)，胸壁受到肌肉中傳播的應(yīng)力波的壓縮作用發(fā)生快速變形；隨著應(yīng)力波在胸壁中傳播，胸壁變形逐漸增大，t=0.292 ms時(shí)，胸壁變形速度達(dá)到最大值2.3 m/s；隨后胸壁的變形速度出現(xiàn)周期性波動(dòng)，但始終處于壓縮變形狀態(tài)。胸壁周期性變形壓縮肺組織，從而對(duì)肺部造成損傷。

圖4為不同爆炸距離處胸壁變形速度歷史曲線，可以看出，隨著爆炸距離的增大，胸壁變形速度逐漸減小，受到?jīng)_擊波作用后，胸壁首先快速壓縮，隨后出現(xiàn)周期性波動(dòng)；各爆炸距離處，胸壁變形速度峰值分別為2.10、1.46、1.10、0.64、0.51、0.35 m/s。

2.3 胸壁變形速度與肺部損傷度的關(guān)系 定義肺部損傷度為某一爆炸距離處肺部損傷面積與最大死亡距離處肺部損傷面積的比值。通過量綱分析理論可以建立肺部損傷度與爆炸距離R之間的關(guān)系為=(R/0.6)-5.64，進(jìn)而可以獲得不同胸壁變形速度V所對(duì)應(yīng)的肺部損傷度。通過對(duì)0.6、0.7、1.0、1.2 m處胸壁變形速度的數(shù)值模擬結(jié)果及相應(yīng)的肺部損傷度進(jìn)行擬合，獲得肺部損傷度與胸壁變形速度之間的函數(shù)關(guān)系：=aVb(a、b為擬合常數(shù)，a=0.3192，b=3.0119，Adj. R-Square=0.9993)，圖5為肺部損傷度隨胸壁變形速度的變化曲線。

圖4 不同爆炸距離處胸壁變形速度歷史曲線

圖5 肺部損傷度隨胸壁變形速度的變化曲線

3 討論

爆炸沖擊波對(duì)含氣組織器官的損傷最為嚴(yán)重，特別是肺臟，損傷率最高、損傷程度也最重[6-8]。因此，爆炸沖擊波致肺部損傷受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究。Clemedson等[9-12]通過研究表明，爆炸沖擊波與人體相互作用引發(fā)多器官損傷，含氣器官最易受到創(chuàng)傷，肺水腫、肺出血及動(dòng)脈氣栓是造成人員死亡的主要因素，沖擊波超壓、作用時(shí)間及波形共同決定了創(chuàng)傷效應(yīng)。徐立和金海[13]通過實(shí)驗(yàn)證明密閉環(huán)境中大鼠肺部爆炸傷傷情隨沖擊波強(qiáng)度的增大而加重，死亡率隨體內(nèi)腫瘤壞死因子-α及白細(xì)胞介素-6的增加而升高。Axelsson和Yelverton[14]建立人體胸部一維動(dòng)力學(xué)模型，將沖擊波的測(cè)量結(jié)果作為輸入?yún)?shù)，得到胸壁的速度響應(yīng)，給出爆炸沖擊波創(chuàng)傷效應(yīng)與胸壁速度峰值之間的關(guān)系。Stuhmiller等[15]對(duì)Axelsson和Yelverton提出的模型和計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)，以肺組織吸收的能量為創(chuàng)傷參數(shù)，得到肺組織的定量創(chuàng)傷關(guān)系，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全符合。van der Voort等[16]針對(duì)沖擊波正壓持續(xù)時(shí)間不同，提出了作用于空氣自由場(chǎng)人體載荷的計(jì)算方法，建立了一種預(yù)測(cè)爆炸傷傷情的工程化模型。本研究利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，獲得不同沖擊波作用下兔肺部損傷度和胸壁變形速度，建立肺部損傷度與胸壁變形速度之間的關(guān)系。

利用數(shù)值模擬方法對(duì)爆炸沖擊波作用下胸部動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。Greer[17]和Thom[18]采用有限元程序分析不同爆炸環(huán)境中人體胸部在沖擊波作用下的肺組織動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過程，研究結(jié)果表明，在爆炸沖擊波與人體胸部的相互作用下，各器官會(huì)產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)速度，由此產(chǎn)生的剪切應(yīng)力容易造成肋骨與肺部界面、心臟與肺部界面的創(chuàng)傷。周杰等[19]根據(jù)人體胸部各個(gè)器官的不同，選擇合理的材料模型和參數(shù)，建立簡(jiǎn)化的人體胸部三維有限元模型，利用局部平面波加載方法模擬爆炸沖擊波與人體胸部相互作用，依據(jù)人體胸部各個(gè)器官運(yùn)動(dòng)的速度差，預(yù)測(cè)創(chuàng)傷的區(qū)域分布。本研究利用有限元分析軟件AUTODYN對(duì)不同沖擊波作用下兔胸壁動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬。AUTODYN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，在爆炸毀傷模擬方面具有精度高和計(jì)算效率快的特點(diǎn)[20]。從圖2可以看出，當(dāng)爆炸距離為0.5 m時(shí)，沖擊波峰值超壓數(shù)值模擬結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏小，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中利用雷管起爆炸藥，對(duì)爆炸距離較近處的沖擊波具有增強(qiáng)效應(yīng)?？傮w來看，沖擊波峰值超壓的數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明數(shù)值模擬具有可靠性。

90 g TNT炸藥爆炸條件下，0.5、0.6 m處的兔當(dāng)場(chǎng)死亡，0.7 m處的兔肺部出現(xiàn)片狀出血，損傷程度較高，0.9、1.0、1.2 m處的兔肺部只有非常輕微的損傷。Axelsson和Yelverton[14]通過建立沖擊波載荷下胸部動(dòng)態(tài)響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型可以計(jì)算胸壁位移、速度、加速度和胸內(nèi)壓力。ASII創(chuàng)傷評(píng)分、動(dòng)物損傷和胸壁最大變形速度之間具有很好的相關(guān)性[21]。將實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的沖擊波壓力時(shí)程曲線應(yīng)用到數(shù)學(xué)模型中，計(jì)算出胸壁最大變形速度V，然后利用方程ASII=0.175·V1.205就可計(jì)算出ASII創(chuàng)傷評(píng)分，從而對(duì)沖擊波造成的人體損傷進(jìn)行評(píng)估。本研究基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，建立肺部損傷度與胸壁變形速度之間的函數(shù)關(guān)系為φ=0.3192V3.0119。該方法不需要通過數(shù)學(xué)模型求解沖擊波載荷下胸部的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，只要根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果獲得胸壁最大變形速度，就可以獲得肺部損傷度。

綜上所述，本研究通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，獲得了90 g TNT炸藥爆炸條件下不同爆炸距離處兔的肺部傷情以及胸壁變形速度，通過數(shù)據(jù)擬合，獲得了兔胸壁變形速度與肺部損傷度之間的函數(shù)關(guān)系φ=0.3192·V3.0119，結(jié)果表明胸壁變形速度能夠預(yù)測(cè)爆炸沖擊波作用下肺部損傷傷情。