王 波,楊劍波,姚李剛,何洋揚,呂華溢,唐吉思,許述財,張金換
(1. 清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室,北京 100084;2. 中國人民解放軍32184 部隊,北京 100093)
隨著戰(zhàn)爭形式的改變,爆炸傷已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的典型創(chuàng)傷,美軍在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)爭中78%的傷亡與爆炸相關(guān)[1]。肺部是爆炸沖擊波的主要靶器官,肺部損傷也是爆炸傷致死的關(guān)鍵因素[2-3]。黃建釗等[4]和Boutillier 等[5]已開展了關(guān)于肺部爆炸傷的研究,但相關(guān)研究主要基于生物效應(yīng)試驗,由于動物生理構(gòu)造與人類差異巨大,通過該類研究較難獲得人體胸部各器官的真實響應(yīng)。周杰等[6-7]建立了胸部模型,基于有限元方法研究了肺部爆炸損傷,但模型過于簡化,得到的損傷響應(yīng)有限。
肺部爆炸損傷評價方法主要有Bowen 損傷曲線[8]、Axelsson 模型[9]及Stuhmiller 模型[10],3 種方法均需測量作用于胸部的沖擊波壓力值,再通過與損傷曲線比較或計算損傷指標(biāo)得到損傷等級。但當(dāng)穿著個人防護(hù)裝備時,由于胸部與防護(hù)裝備直接接觸,安裝于胸部表面的壓力傳感器會受到擠壓,很難準(zhǔn)確測量經(jīng)防護(hù)裝備衰減后的沖擊波壓力,因此無法使用上述方法進(jìn)行損傷評估。美國NIJ 0117《公共安全排爆服標(biāo)準(zhǔn)》[11]在評價排爆服防護(hù)性能時對人體損傷不做考核,因為該標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為目前尚無成熟、可靠的評價方法。
針對上述問題,本文中基于人體有限元模型,建立人體-爆炸流場數(shù)值模型,獲得胸部整體的沖擊響應(yīng),闡明肺部爆炸傷的主要致傷機(jī)制;通過改變爆炸當(dāng)量和距離,得到不同肺部損傷等級,驗證常見的胸部損傷指標(biāo)能否評價爆炸傷,提出不依賴沖擊波壓力的肺部爆炸損傷評價指標(biāo)。
利用LS-DYNA 求解器進(jìn)行計算,軟件版本為R8.1.0 單精度并行版。為獲得胸部的完整響應(yīng)過程,計算時長為50 ms。單元及節(jié)點信息輸出頻率為50 kHz。
選用GHBMC 人體有限元模型,版本號為M50-P-v1.6,人體質(zhì)量為78 kg,身高為174.9 cm,保持站立姿勢。該模型具有詳細(xì)的解剖學(xué)結(jié)構(gòu),胸部結(jié)構(gòu)包括胸骨、肋(軟)骨、胸椎、肺臟、心臟等器官??奢敵錾鲜銎鞴俚膽?yīng)力及運動信息,用于肺部損傷評價。胸部上方通過頸椎及肌肉等與頭部連接,胸部下方通過橫膈膜與腹腔臟器接觸。圖1(a)為整個人體有限元模型,圖1(b)為胸部模型,圖1(c)為胸部S-S橫截面切面。本文中使用整個人體有限元模型進(jìn)行分析,數(shù)值模擬結(jié)果已包含頭頸部及腹部對胸部損傷的影響,可獲得較真實的胸部響應(yīng)。
圖1 有限元模型Fig. 1 Finite element model
GHBMC 人體有限元模型的肺臟采用實體單元網(wǎng)格,使用Vawter[12]提出的肺組織本構(gòu)模型,其應(yīng)變能密度函數(shù)如下:
式中:I1和I2為應(yīng)變不變量,Δ=0.1 mm,C0/Δ=11.15 kPa,C1/Δ=10.02 kPa,α=0.213,β=-0.343,C2=2.04。肺組織的密度為288 kg/m3,體積模量為2.66 MPa。
爆炸流場包括炸藥和空氣,采用歐拉網(wǎng)格,歐拉域尺寸為3 m×3 m×2.5 m,將人體模型全部包含在歐拉域內(nèi)。炸藥為梯恩梯(TNT)球形裝藥,炸藥距地面高度為1.35 m,與人體胸骨處于同一高度位置,如圖1(a)所示。
對TNT 炸藥采用Jones-Wilkins-Lee (JWL)狀態(tài)方程[13]:
使用剛性面模擬地面,位于人體足部下方,與鞋跟接觸。將整個人體模型與爆炸流場之間定義耦合作用,選擇罰函數(shù)耦合算法。在歐拉域外表面設(shè)置無反射邊界條件。將胸骨對應(yīng)的胸部表皮受到的爆炸載荷輸出,用于肺部損傷評價。
基于本文中構(gòu)建的有限元模型,以爆炸事故為邊界條件開展數(shù)值模擬。輸出人體胸部受到的爆炸載荷,結(jié)合Axelsson 損傷模型[9]判定肺部損傷情況,并與事故實際情況比對,以驗證模型的有效性。
Hamit 等[14]報道了一起發(fā)生在韓國的爆炸事故,炸藥質(zhì)量為1.6 kg,現(xiàn)場共有3 人:1 號人員正在炸藥附近作業(yè),當(dāng)場死亡;2 號人員距離炸藥3.05 m,當(dāng)場昏迷;3 號人員距離炸藥更遠(yuǎn),無明顯外傷。2 號人員在送醫(yī)途中恢復(fù)意識,其眼部和耳部受傷嚴(yán)重,頂骨及手部骨折,胸部X 光片顯示肺門附近及雙肺中下葉有彌漫性浸潤影。該患者到醫(yī)院后,主要處理了外傷,接受了輸血,但并未針對肺部進(jìn)行治療。事故發(fā)生24 h 后該患者停止咳血,13 d 后肺部浸潤影消失,肺部損傷自愈。
1 號人員當(dāng)場死亡,說明其面臨較高的致死風(fēng)險。胸部主要器官包括心臟、肺臟及骨骼(胸骨、肋骨及胸椎等)。對于2 號人員,其心臟及骨骼未見損傷,僅肺部發(fā)生損傷。羅偉等[15]認(rèn)為肺部重傷應(yīng)滿足“肺臟破裂口深入肺實質(zhì)且必須經(jīng)手術(shù)治療”條件。2 號人員肺部損傷在13 d 后康復(fù),且未接受肺部治療,不滿足肺部重度損傷的要求,推斷其肺部損傷應(yīng)介于輕傷到中度損傷之間。
為評估爆炸沖擊對人體胸腹部造成的損傷,Axelsson 等[9]建立了由質(zhì)量塊、彈簧及阻尼器構(gòu)成的胸腔模型(見圖2),其數(shù)學(xué)表達(dá)如下:
圖2 Axelsson 胸部模型[9]Fig. 2 The Axelsson model of the thorax[9]
式中:M為等效質(zhì)量,N為阻尼系數(shù),K為剛度系數(shù),Ae為等效面積,p0為環(huán)境壓力,V0為初始時刻肺部體積,γ 為肺部氣體的多方指數(shù),x為胸壁位移,p(t)為胸部受到的爆炸載荷。
測量爆炸過程中作用于胸部的爆炸載荷p(t),代入式(4)可計算得到胸壁移動速度,選取胸壁移動速度峰值作為胸腹部損傷的評價指標(biāo)。由于Axelsson 等[9]并未驗證該模型與人體胸腔真實響應(yīng)的關(guān)系,因此基于式(4)計算得到的胸壁速度峰值通常被稱為胸壁速度預(yù)測值(chest wall velocity predictor,vcwp)。Axelsson 等[9]基于動物試驗數(shù)據(jù),建立了vcwp與胸腹部爆炸傷之間的關(guān)系,如表1 所示。北約AEP 55 試驗規(guī)程[16]正是使用vcwp進(jìn)行人體沖擊波損傷的評價。
表1 胸壁速度預(yù)測值與損傷等級的關(guān)系[9]Table 1 Injury level as a function of chest wall velocity predictor[9]
由于文獻(xiàn)[14] 未給出3 號患者的具體位置,因此以1 號和2 號人員的損傷情況驗證模型。1 號人員在炸藥附近作業(yè),假定他與炸藥的距離L為1.00 m;2 號人員與炸藥的距離為3.05 m。假定炸藥距地面高度為0.50 m,依據(jù)事故的爆炸當(dāng)量,分別進(jìn)行爆炸距離為1.00 和3.05 m 工況的數(shù)值模擬。由于炸藥距離人體較遠(yuǎn),將歐拉域尺寸擴(kuò)大為3 m×3 m×5 m。在求解過程中,輸出人體胸部受到的爆炸載荷(見圖3),將該爆炸載荷代入式(4),即可求出胸壁速度的預(yù)測值vcwp。
圖3 不同爆炸距離工況下胸部爆炸載荷的演化Fig. 3 Evolution of blast load on the thorax at different explosion distances
1 號人員的vcwp為13.6 m/s,由表1 可知其致死率大于50%,面臨較高死亡風(fēng)險。2 號人員的vcwp為7.3 m/s,由表1 可知其損傷介于輕傷到中度損傷之間。由上述分析可知,通過數(shù)值模擬結(jié)果評估得到的1 號及2 號人員的肺部損傷等級與事故中人員損傷一致(2.1 節(jié)),說明本文中建立的有限元模型可用于人體肺部爆炸傷的評估。
本文中共進(jìn)行了39 個爆炸工況的數(shù)值模擬。炸藥距離地面1.35 m,與胸骨中部處于同一高度。通過改變炸藥質(zhì)量和爆炸距離,使得胸部受到不同量級的爆炸載荷作用,并且確保每個爆炸距離下胸壁速度預(yù)測值vcwp的最大值均大于12.8 m/s。選定炸藥與胸部水平距離為0.25、0.50、0.75 和1.00 m,對應(yīng)的TNT 炸藥質(zhì)量范圍分別為50~150、50~600、50~1 000 和50~1 000 g。在所有計算工況中,vcwp最小值為1.7 m/s,對應(yīng)肺部無損傷;vcwp最大值為18.3 m/s,對應(yīng)致死率高于50%。
以500 g TNT 距離胸部0.50 m 爆炸為典型工況。圖4 為爆炸流場壓力云圖,可知爆炸沖擊波首先在人體胸壁反射,造成胸壁附近流場壓力升高,隨后繞射至人體背部,即人體胸部和背部均受到爆炸沖擊波作用,但背部受到的爆炸載荷遠(yuǎn)低于胸部的。胸部爆炸載荷的波形與圖3 中的曲線類似,壓力峰值為3.9 MPa,按式(4)求得vcwp為16.2 m/s。
圖4 爆炸流場壓力云圖Fig. 4 Pressure contours in blast field at different times
以500 g TNT 距離胸部0.50 m 爆炸為典型工況。為分析爆炸過程中胸腔的變形和運動情況,選取胸骨代表胸前壁(胸骨、肋軟骨、肋骨前段等)的運動速度,選取第8 節(jié)胸椎(T8)代表背部的運動速度,兩者的位置關(guān)系和速度曲線分別如圖1(c)和圖5 所示。
在OA 階段,爆炸沖擊波作用于胸部,胸前壁在極短時間內(nèi)獲得動量,胸骨速度迅速增加。在AB 階段,胸前壁高速向后運動擠壓胸腔臟器,胸骨速度迅速下降。由于繞射沖擊波作用于背部,在此階段背部(T8)向前運動。在BC 階段,由于胸骨的速度高于胸椎T8 的速度,胸前壁持續(xù)擠壓胸腔臟器,致使胸腔臟器推動胸椎及肋骨后段向后運動,胸椎T8 的后向速度逐漸升高,背部向后運動。在C 時刻胸骨與胸椎T8 速度首次相同,此時胸廓壓縮量達(dá)到最大42 mm,隨后胸廓進(jìn)入擴(kuò)張階段(CD 階段)。在D 和E 時刻胸骨與胸椎T8 的速度相同,表示胸廓分別進(jìn)入壓縮和擴(kuò)張過程??墒褂眯毓桥c胸椎T8 的相對位移表征胸腔壓縮量,當(dāng)兩者相對位移為零時胸腔壓縮量為零,胸腔處于平衡位置。胸骨和胸椎T8 的位移曲線如圖6 所示,可知胸廓在O1時刻第1 次恢復(fù)平衡位置。由圖5 可知,此時胸骨和胸椎T8 的速度差為1.6 m/s。而胸廓在O2時刻第2 次恢復(fù)平衡位置時,兩者速度已接近一致。這表明:胸廓在幾次壓縮和擴(kuò)張后,胸部器官的速度逐漸穩(wěn)定,整個胸部作為整體向后運動。
圖5 胸骨及胸椎T8 速度曲線Fig. 5 Velocity-time histories of sternum and thoracic vertebra T8
圖6 胸骨及胸椎T8 位移曲線Fig. 6 Displacement-time histories of sternum and thoracic vertebra T8
以500 g TNT 距離胸部0.50 m 爆炸為典型工況。圖7 為肺部壓力云圖,其中圖7(b)~(c)為胸部S-S橫截面的壓力云圖??芍厍氨谶\動過程中,肋軟骨及肋骨前段的區(qū)域最先擠壓肺部,在肺部產(chǎn)生應(yīng)力波。由于肺部被多根肋骨擠壓,每一處擠壓點都會產(chǎn)生一個應(yīng)力波,因此肺部的實際應(yīng)力是多個應(yīng)力波疊加的效果。應(yīng)力波在肺組織中的傳播速度為30~70 m/s[17],而在心臟(?。┲械膫鞑ニ俣葹? 540~1 580 m/s[18],且心臟(?。┑拿芏纫泊笥诜谓M織的,使得兩者的沖擊阻抗相差很大。應(yīng)力波在肺部傳播過程中,會在肺臟與心臟的界面發(fā)生反射,造成該區(qū)域壓力升高,如圖7(c)所示。通過上述分析可知,肺部壓力峰值區(qū)域主要集中在胸前壁及心臟附近。
Greer[19]通過研究肺部爆炸傷,發(fā)現(xiàn)壓力峰值高于240 kPa 的肺組織會發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷。由圖7 可知,肺部最高壓力已達(dá)到400 kPa,說明肺部面臨極高損傷風(fēng)險,這與通過vcwp(=16.2 m/s)判斷的肺部損傷等級一致。為了解損傷發(fā)生的時間,以0.1 ms 為間隔,統(tǒng)計每個時間段中肺部重度損傷單元(壓力高于240 kPa)達(dá)到壓力峰值的數(shù)量,再除以重度損傷單元總數(shù),得到對應(yīng)時間段重度損傷單元所占的百分點,統(tǒng)計結(jié)果如圖8 所示??芍?,肺部損傷主要是發(fā)生在AB 階段,且80%的重度損傷單元是在1.6 ms 之前達(dá)到壓力峰值,此時尚未達(dá)到胸部最大壓縮量(圖5中C 時刻),這說明肺部的損傷不是由胸腔整體變形擠壓臟器造成的,而是由胸前壁高速撞擊肺部產(chǎn)生的應(yīng)力波造成的。在AB 階段,沖擊波的能量轉(zhuǎn)換為肺部的應(yīng)力波,這可能是AB 段胸骨速度下降較快的原因。
圖7 不同時刻肺部壓力云圖Fig. 7 Pressure contours of the lung at different times
圖8 重度損傷單元壓力峰值時間統(tǒng)計Fig. 8 Statistics of pressure peak times of severe damaged elements
Axelsson 已經(jīng)建立了胸壁速度預(yù)測值vcwp與肺部損傷等級之間的對應(yīng)關(guān)系[9],本節(jié)中以vcwp為參考基準(zhǔn)建立肺部爆炸損傷評價指標(biāo)。
3.4.1 胸部壓縮量和黏性響應(yīng)系數(shù)
在汽車碰撞領(lǐng)域,常用胸部壓縮量Dc和黏性響應(yīng)系數(shù)Vc(viscous criterion)來評價胸部器官的損傷。Dc是指胸腔在前后方向的變形量。Vc定義為胸腔變形速率與壓縮率乘積的最大值,壓縮率是指胸部壓縮量與胸腔初始厚度的比值。由圖9~10 可知,隨著vcwp的增大,Dc和Vc均呈增大趨勢。這是因為vcwp增大代表胸部受到更大的爆炸載荷,胸部的整體響應(yīng)也會相應(yīng)增大。 GB 11551—2014 《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》[20]中規(guī)定的Dc和Vc損傷限值分別為75 mm 和1 m/s。在所計算的爆炸工況中,vcwp的最大值為18.3 m/s,對應(yīng)的Dc和Vc分別為41 mm 和0.86 m/s,均低于法規(guī)限值。若由上述2 個指標(biāo)判定,則肺部損傷風(fēng)險較低。而由表1 可知,此時肺部已經(jīng)發(fā)生重度損傷,且死亡風(fēng)險大于50%。這說明由Dc和Vc判定的胸部爆炸損傷等級遠(yuǎn)低于實際情況。
圖9 胸部壓縮量與胸壁速度預(yù)測值的關(guān)系曲線Fig. 9 Relationship between thoracic deflection and chest wall velocity predictor
在汽車碰撞過程中,撞擊物(方向盤)是持續(xù)擠壓胸部。對于爆炸工況,由于爆炸載荷作用時間極短,胸前壁是在慣性作用下擠壓胸腔臟器。胸部碰撞響應(yīng)的特點是胸腔變形大、變形速率相對較低。而胸部爆炸響應(yīng)的特點是胸腔變形小、變形速率高,但變形速率下降極快。Dc主要是評估肋骨受到撞擊發(fā)生變形及骨折的風(fēng)險,不能反映胸部變形速率的大小,因此Dc不適合用于評價胸部爆炸傷。Vc兼顧胸部變形及變形速率對損傷的影響,常用于評估人體胸部軟組織損傷風(fēng)險。由圖5 可知,在爆炸載荷作用下,胸前壁瞬間獲得速度(OA 階段)并撞擊胸腔臟器,將能量轉(zhuǎn)化為臟器的應(yīng)力波后,胸前壁速度快速下降(AB 階段)。在OA 和AB 階段,雖然胸前壁速度很高,但由于該階段時間很短,對應(yīng)的胸部壓縮率較小,致使Vc偏小,因此Vc也不適合用于評價胸部爆炸傷。
圖10 黏性響應(yīng)系數(shù)與胸壁速度預(yù)測值的關(guān)系曲線Fig. 10 Relationship between viscous criterion and chest wall velocity predictor
3.4.2 胸骨速度與胸骨加速度
由3.3 節(jié)分析可知,在OA 階段,爆炸沖擊轉(zhuǎn)變?yōu)樾厍氨趧幽?。在AB 階段,胸前壁高速撞擊胸腔臟器,部分動能以應(yīng)力波的方式傳遞給胸腔臟器。由圖5 可知,A 時刻胸骨速度為9.82 m/s,B 時刻胸骨速度為4.72 m/s。若以胸骨速度代表胸前壁速度,則在AB 階段胸前壁動能下降了77 %,該部分能量主要轉(zhuǎn)變?yōu)樾厍慌K器的應(yīng)力波。在BC 階段,胸前壁在慣性作用下持續(xù)擠壓胸腔及胸腔臟器,C 時刻胸骨速度為3.16 m/s,則該階段胸前壁動能下降了13 %,這部分能量主要轉(zhuǎn)變?yōu)樾厍坏淖冃文芎托夭康膭幽?。僅少量的胸前壁動能轉(zhuǎn)化為胸腔變形能,因而胸腔變形較小,這也是爆炸傷患者胸部壓縮量較小的原因。AB 和BC 階段對應(yīng)不同的肺部損傷機(jī)制,前者是應(yīng)力波致傷,后者是胸腔變形擠壓肺臟致傷。胸部壓縮量Dc和黏性響應(yīng)系數(shù)Vc可反映BC 階段胸腔變形擠壓造成胸部損傷的風(fēng)險。肺部爆炸傷主要是由AB 階段的應(yīng)力波造成的,應(yīng)選取可反映應(yīng)力波大小的指標(biāo)表征相關(guān)損傷。胸骨速度峰值vsp反映了胸前壁與胸腔臟器的撞擊速度,胸骨加速度峰值asp反映了爆炸載荷對胸前壁的沖擊強(qiáng)度,兩者均與肺部應(yīng)力波存在直接關(guān)聯(lián),因而選取胸骨速度峰值和胸骨加速度峰值評價肺部爆炸損傷。
由圖11~12 可知,胸骨速度峰值與胸壁速度預(yù)測值呈線性關(guān)系vsp=0.618 48vcwp,胸骨加速度峰值與胸壁速度預(yù)測值的關(guān)系為asp=12.85v2cwp+47.47vcwp,擬合決定系數(shù)(R2)均大于0.99,擬合程度較好。結(jié)合表1 可知,胸骨速度峰值及胸骨加速度峰值對應(yīng)輕度損傷(vcwp=4.3 m/s)的閾值為2.7 m/s 和442g,對應(yīng)中度損傷(vcwp=7.5 m/s)的閾值為4.6 m/s 和1 079g,對應(yīng)重度損傷(vcwp=9.8 m/s)的閾值為6.1 m/s 和1 700g,對應(yīng)致死率大于50%(vcwp=12.8 m/s)的閾值為7.9 m/s 和2 713g。
圖11 胸骨速度峰值與胸壁速度預(yù)測值的關(guān)系曲線Fig. 11 Relationship between sternum velocity and chest wall velocity predictor
圖12 胸骨加速度峰值與胸壁速度預(yù)測值的關(guān)系曲線Fig. 12 Relationship between sternum acceleration and chest wall velocity predictor
3.4.3 胸骨速度峰值與胸壁速度預(yù)測值的關(guān)系
Axelsson 模型將胸部簡化為類似矩形氣缸的結(jié)構(gòu)(見圖2),活塞等效胸(前)壁?;钊鈧?cè)受到爆炸載荷作用,內(nèi)側(cè)受到彈簧、阻尼及氣缸內(nèi)壓力的作用?;钊趦?nèi)外力差作用下開始運動,胸壁速度預(yù)測值vcwp是活塞運動的最大速度。由于爆炸載荷加載速度極快,活塞瞬間達(dá)到最大速度,此時對應(yīng)的活塞位移很小,則式(4)中的彈簧力及氣缸壓力變化可以忽略,因此vcwp的主要影響因素是等效質(zhì)量M。人體胸部的情況類似,胸骨速度峰值vsp的主要影響因素是胸前壁(包括骨骼、皮膚、肌肉、脂肪等)的質(zhì)量。vsp與vcwp之間的系數(shù)則主要反映了2 個模型中胸前壁等效質(zhì)量的差異。
本文中的研究內(nèi)容和結(jié)論均基于正面爆炸。對于側(cè)面爆炸、背部爆炸,由于爆炸載荷加載方向和作用于人體的部位不同,其肺部損傷響應(yīng)和評價指標(biāo)仍需進(jìn)一步研究。另外,當(dāng)人體佩戴胸部防護(hù)裝備時,胸部除了受到透射、繞射過裝備的沖擊波作用,防護(hù)裝備在爆炸載荷作用下也會撞擊胸部,可能產(chǎn)生其他致傷機(jī)制,尚不確定本文中提出的肺部爆炸傷評價指標(biāo)能否適用于該工況。
(1)正面爆炸工況中,爆炸沖擊波首先在胸部反射,隨后繞射至背部,胸部和背部均受到爆炸載荷作用。在爆炸載荷作用下,胸前壁高速撞擊胸腔臟器,同時速度迅速下降。隨后在慣性作用下,胸前壁持續(xù)擠壓胸腔臟器,并造成胸腔變形。胸腔在經(jīng)歷幾次壓縮-擴(kuò)張往復(fù)后,胸部器官速度穩(wěn)定,胸部整體向后運動。
(2)胸前壁高速撞擊胸腔臟器時,將在肺臟內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力波。應(yīng)力波是造成肺部損傷的主要原因,胸腔變形擠壓肺部造成的損傷風(fēng)險較低。肺部損傷集中在靠近胸前壁及心臟的區(qū)域。
(3)胸部壓縮量和黏性響應(yīng)系數(shù)可以反映胸腔變形擠壓臟器造成的損傷,但不能反映應(yīng)力波對肺部造成的損傷,不適合用于評價肺部爆炸損傷。
(4)胸骨速度峰值和胸骨加速度峰值與肺部應(yīng)力波存在直接關(guān)聯(lián),且與胸壁速度預(yù)測值有較好的對應(yīng)關(guān)系,可用于評價肺部爆炸損傷。