摘要： 肺沖擊傷是爆炸后第一級(jí)沖擊傷最常見(jiàn)的死因，進(jìn)行有效防護(hù)是減輕傷情、提升救治效能的最優(yōu)舉措。聚脲材料作為軀體防具的研究尚在起步階段，本研究通過(guò)有限元數(shù)值模擬探討了沖擊波作用下聚脲材料對(duì)肺臟的防護(hù)效應(yīng)及其對(duì)沖擊波的衰減特性。首先利用LS-DYNA 軟件模擬沖擊波對(duì)穿戴防護(hù)材料的山羊胸部的直接損傷過(guò)程，然后通過(guò)實(shí)爆測(cè)壓數(shù)據(jù)及肺大體傷情進(jìn)行有效性驗(yàn)證，最后利用該沖擊波防護(hù)后效應(yīng)有限元計(jì)算模型完成聚脲材料對(duì)人員肺沖擊傷防護(hù)效應(yīng)的評(píng)估。結(jié)果表明：右肺朝向爆心時(shí)，沖擊波肺損傷應(yīng)力主要集中在右肺下葉，防護(hù)模型肺臟整體應(yīng)力較小，肺所受負(fù)壓所致肺過(guò)牽效應(yīng)減弱；聚脲材料能夠有效衰減到達(dá)皮膚和肺臟表面的超壓峰值約58.8%，降低胸骨最大線速度約22.4%，且隨沖擊波壓強(qiáng)的增大，衰減能力增強(qiáng)，從而有效降低肺沖擊傷的發(fā)生率和嚴(yán)重程度。建立的人員防護(hù)效應(yīng)計(jì)算機(jī)仿真評(píng)估模型為新型防護(hù)材料用于人員肺沖擊傷的防護(hù)效能評(píng)估、防護(hù)后損傷程度預(yù)測(cè)提供了方法，具有重要的軍事和社會(huì)意義。

關(guān)鍵詞： 爆炸沖擊波；肺沖擊傷；聚脲防護(hù)；超壓峰值

中圖分類號(hào)： O389 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13035 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，由爆炸導(dǎo)致的人員傷亡占人員總傷亡的66.4%[1]，肺臟作為含氣器官最易受累[2]。在天津8.12 特大爆炸事故中，肺沖擊傷發(fā)生率為9.3%[3]，但被診斷有肺沖擊傷的傷員死亡率遠(yuǎn)高于無(wú)肺沖擊傷的爆炸傷傷員，因此，原發(fā)性肺沖擊傷被視為潛在的爆炸傷嚴(yán)重程度的標(biāo)志。沖擊波到達(dá)肺臟時(shí)誘發(fā)產(chǎn)生的應(yīng)力波導(dǎo)致肺泡破裂、撕裂、內(nèi)爆，是導(dǎo)致爆炸死亡的最主要因素[4]。因此，施以有效防護(hù)、減少肺臟對(duì)沖擊波能量的直接吸收是降低肺沖擊傷致死率的最明智的選擇[5]。

對(duì)肺沖擊傷防護(hù)的本質(zhì)是探尋有效措施以實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊波能量的轉(zhuǎn)換耗散。聚脲材料可以加速?zèng)_擊波的衰減、增強(qiáng)建筑構(gòu)件的抗爆性能[6-7]，成為開發(fā)爆炸復(fù)合傷防具的理想選擇。然而，評(píng)估聚脲材料作為軀干防具的防護(hù)性能面臨諸多挑戰(zhàn)。在爆炸傷評(píng)估研究中，基于損傷相似性原則，肺沖擊傷研究通常選用肺對(duì)沖面積及肺沖擊傷閾值均與人相似的羊作為試驗(yàn)對(duì)象[8-9]。但實(shí)爆試驗(yàn)受彈藥來(lái)源的客觀限制，無(wú)法進(jìn)行大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)[10]。此外，動(dòng)物活體力學(xué)測(cè)試也存在諸多局限性：首先，肺臟這類含氣組織不能埋置傳感器；其次，基于活體動(dòng)物的力學(xué)測(cè)試均為有創(chuàng)測(cè)試，為保持試驗(yàn)動(dòng)物的存活和生理狀態(tài)，只能在特定部位安裝有限數(shù)量的測(cè)試傳感器，難以獲知沖擊壓力的傳導(dǎo)和分布特點(diǎn)?；谟邢拊治龅臄?shù)值仿真模型，可以更準(zhǔn)確、全面地分析聚脲材料對(duì)沖擊波的衰減作用，以及肺臟在防護(hù)材料下對(duì)沖擊波的力學(xué)響應(yīng)特點(diǎn)[11]，為后續(xù)聚脲材料在人員防護(hù)裝備中的應(yīng)用提供重要依據(jù)。

本研究基于山羊胸部CT （computed tomography） 圖像構(gòu)建山羊胸部聚脲防護(hù)有限元模型，利用流固耦合法構(gòu)建沖擊波加載試驗(yàn)動(dòng)物防護(hù)后效應(yīng)有限元計(jì)算模型，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)爆試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性驗(yàn)證，將相應(yīng)的模式、參數(shù)加載到人員有限元模型上，獲得聚脲材料對(duì)人員肺沖擊傷的防護(hù)效應(yīng)有限元模型，確立不同工況下聚脲材料對(duì)人體的防護(hù)效能。

1 模型建立

首先基于實(shí)爆試驗(yàn)結(jié)果建立山羊肺沖擊傷損傷模型，研究中使用Win10 操作系統(tǒng)，硬件平臺(tái)為HPZ840，以cm-g-μs 單位制建立有限元分析模型，壓力單位為kPa。計(jì)算方式采用LS-DYNA 完全流固耦合算法，通過(guò)關(guān)鍵字（CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID）進(jìn)行控制，對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行單元離散后利用顯式積分求解。

1.1 山羊胸部聚脲材料防護(hù)有限元模型建立

將山羊CT 掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 21 軟件，利用閾值分割法得到由心臟、肺、骨骼（胸骨、肋骨和脊椎）、表皮4 部分組成的山羊胸部有限元模型共468 424 個(gè)六面體單元。胸廓骨骼采用彈性材料模型，其中胸骨和肋骨參照Caruso 等[12] 的研究結(jié)果，脊柱參照Wang[13] 和Duck[14] 的測(cè)試數(shù)據(jù)；臟器（心臟、肺臟）以及皮膚則采用Saraf 等[15] 通過(guò)改良的分離式霍普金森壓桿測(cè)得的黏彈性材料參數(shù)。應(yīng)力變量采用線性黏彈性假設(shè)，如下式所示：

式中：σi j" 為偏應(yīng)力張量， ?為剪切松弛模量， τ為松弛時(shí)間， ˙εi j為應(yīng)變率。剪切松弛模量的表達(dá)式為：

?（t） = G1 +（G0 -G1） e-βt （2）

式中：G0 為短期剪切模量，G1 為長(zhǎng)期剪切模量，β 為衰減常數(shù)。

在模型中，由彈性體積模量K 和體積V 計(jì)算壓力p：

p = K lnV （3）

屈服強(qiáng)度σy 按下式計(jì)算：

σy = σ0 + Eh-εp +（a1 + Pa2）max[P，"0] （4）

式中：σ0"為初始屈服應(yīng)力， Eh為塑性硬化模量， -εp為有效塑性應(yīng)變， a1 、a2 和 "P"為應(yīng)變率參數(shù)。

根據(jù)彈性模量 E 和切線模量 Et 可計(jì)算塑性硬化模量Eh ：

Eh = EtE／（E - Et） （5）

此外，為了簡(jiǎn)便運(yùn)算，將除骨骼和內(nèi)臟以外的所有組織統(tǒng)一視為肌肉組織，并賦予其相應(yīng)的材料特性，詳見(jiàn)表1，表中ρ 為密度，μ 為泊松比。

在胸部軀干外添加防具模型模擬聚脲材料防具，為了最大限度保證防護(hù)材料與表皮的貼合，防護(hù)材料的幾何模型利用表皮的輪廓生成曲面，進(jìn)而在輪廓曲面上創(chuàng)建六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為20 898 個(gè)。聚脲材料有彈性和塑性變形行為，其材料模型采用LS-DYNA 軟件中MAT24模型[11， 16]，具體參數(shù)見(jiàn)表2。MAT24 模型是分段線性塑性模型，用于描述具有應(yīng)變率效應(yīng)的材料，該模型可以采用Cowper-Symonds 理論，通過(guò)動(dòng)態(tài)放大系數(shù)來(lái)考慮應(yīng)變率效應(yīng)。應(yīng)變率效應(yīng)公式[16] 如下：

σy = σy0（1+（ ˙ε／C）D） （6）

式中：σy0 為靜態(tài)屈服強(qiáng)度， ˙ ε為應(yīng)變率，C 和D為Cowper-Symonds 模型的材料常數(shù)。

山羊穿戴防護(hù)材料有限元模型如圖1 所示，由防護(hù)材料模型和山羊胸部模型組成，防護(hù)材料與山羊胸部的接觸方式設(shè)置為單面自動(dòng)接觸。

1.2 沖擊波加載與約束條件

山羊肺沖擊傷損傷模型由壓力施加域、空氣域和山羊胸部組成，通過(guò)直接施加壓力邊界條件的方式模擬沖擊波的加載過(guò)程。在有限元前處理軟件ICEM （integrated computer-aided engineering andmanufacturing） 中創(chuàng)建界面380 mm×500 mm、縱深420 mm 的立方體，共劃分79 800 個(gè)六面體實(shí)體單元作為空氣域，空氣域邊界為無(wú)反射邊界，模擬無(wú)限大區(qū)域，用空材料模型（MAT_NULL）以及線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程（EOS_LINEAR_POLYNOMIAL）進(jìn)行描述，材料密度為1.293 kg/m3，動(dòng)態(tài)黏性系數(shù)設(shè)置為零[17]。預(yù)設(shè)壓力-時(shí)間曲線對(duì)邊界施加壓力波，將有/無(wú)防護(hù)的山羊胸部有限元模型置于空氣域中，模擬曠場(chǎng)實(shí)爆試驗(yàn)，沖擊波加載方向設(shè)置為胸部右側(cè)正對(duì)壓力源（圖2） ，施加壓力源壓力ps 為100、300、400、500 和700 kPa，壓力持續(xù)時(shí)間為1 ms。

1.3 模型有效性的驗(yàn)證

在曠場(chǎng)實(shí)爆試驗(yàn)中，8 kg TNT 當(dāng)量爆炸源固定在距地面1 m 高處，山羊右側(cè)朝向爆心，距離爆心4 m。測(cè)壓裝置采用圓盤狀動(dòng)態(tài)應(yīng)力傳感器（量程為2 MPa，靈敏度為2.496 5～2.498 0 mV/kPa），固定在防護(hù)材料外側(cè)，并在麻醉狀態(tài)下，對(duì)山羊胸部備皮、消毒、切開約2 cm 大小的切口，傳感器埋在動(dòng)物皮下，結(jié)扎固定并縫合。傳感器檢測(cè)面均正對(duì)爆心，與沖擊波傳播方向垂直，山羊胸部材料內(nèi)外的2 個(gè)傳感器放置位置無(wú)空間重合（圖3），采集裝置為動(dòng)態(tài)采集儀（江蘇東華公司 DH5960N），位于防爆屋內(nèi)。將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)爆試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，8 kg TNT 當(dāng)量的爆炸源產(chǎn)生的沖擊波在4 m 處到達(dá)防護(hù)山羊胸部材料表面的超壓峰值為538.3 kPa，材料后為188.2 kPa，衰減了65.0%。在加載500 kPa 沖擊波超壓的工況下，無(wú)防護(hù)的胸部模型皮膚的超壓峰值為494.35 kPa，有防護(hù)模型的胸部有限元模型防護(hù)材料前、后的壓力峰值分別為540.35 和152.11 kPa，有防護(hù)相對(duì)于無(wú)防護(hù)沖擊波衰減了69.2%，有防護(hù)時(shí)，數(shù)值模擬模型與實(shí)爆試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷竭_(dá)山羊胸部材料表面的壓力誤差為0.38%，對(duì)沖擊波的衰減誤差為6.5%，在允許誤差范圍內(nèi)。

此外，爆炸沖擊波加載后，肺沖擊傷有限元模擬結(jié)果中，最大應(yīng)力集中在右肺，尤以右肺下葉邊緣最甚?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)爆試驗(yàn)的大體解剖結(jié)果也顯示；無(wú)防護(hù)組山羊，右肺損傷重于左肺，以右肺下葉為重；防護(hù)組山羊，僅在右肺下葉邊緣出現(xiàn)稍許損傷（圖4）。無(wú)論是測(cè)壓數(shù)據(jù)還是生物損傷效應(yīng)，仿真結(jié)果和實(shí)爆試驗(yàn)都有較好的一致性，說(shuō)明本次數(shù)值模擬中各種參數(shù)和工況條件的設(shè)定都相對(duì)合理，可將防護(hù)材料、工況設(shè)置加載到人員有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析達(dá)到預(yù)測(cè)目的。

1.4 人體模型加載

用上述經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的沖擊波加載山羊胸部有限元模型的建模方法和算法，以陸軍軍醫(yī)大學(xué)“中國(guó)數(shù)字化可視化人體”連續(xù)斷層圖像為源數(shù)據(jù)[18]，構(gòu)建中國(guó)成年男性人體胸部有限元模型，模擬不同工況下沖擊波對(duì)無(wú)防護(hù)、聚脲防護(hù)人體胸部的作用過(guò)程。人員胸部模型共劃分為220 390 個(gè)六面體網(wǎng)格實(shí)體單元，材料描述同表1，聚脲材料有限元模型同表2，設(shè)置為貼合人員胸廓的聚脲材料模型（圖5），將人員模型置于沖擊波加載空氣域模型中，胸部正對(duì)壓力施加域，分別加載壓力源為100、300、400、500 和700 kPa 等5 種工況，采用LS-DYNA 中的完全流固耦合法求解。以100 kPa 沖擊波加載過(guò)程為例（圖6），0.184 ms 時(shí)沖擊波開始穩(wěn)定向前傳播，0.364 ms 時(shí)到達(dá)胸部表面，0.424 ms 時(shí)產(chǎn)生圍繞胸壁的沖擊波，同時(shí)其他沖擊波繼續(xù)向前傳播，0.980 ms 時(shí)正向傳播的沖擊波完全脫離胸廓。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 不同工況肺內(nèi)力學(xué)響應(yīng)分布

沖擊波壓力依次通過(guò)皮膚、軟組織、肋骨傳播至肺臟，受壓的肺臟與心臟胸壁發(fā)生碰撞，產(chǎn)生擠壓變形，從而形成應(yīng)力[19]。以100 kPa 工況下肺臟受沖擊波作用的應(yīng)力場(chǎng)分布為例，應(yīng)力云圖如圖7 所示。從圖7（a） 可以看出，無(wú)防護(hù)情況下：0.328 ms 時(shí)，肺葉表面由于心臟和胸骨擠壓出現(xiàn)應(yīng)力變化；0.440 ms 時(shí)，應(yīng)力由于組織間相互作用在肺中進(jìn)一步增強(qiáng)；0.552 ms 時(shí)，由于背側(cè)胸廓作用，應(yīng)力傳播至肺背側(cè)面；0.640 ms 時(shí)，應(yīng)力繼續(xù)在雙肺肺尖傳播。從圖7（b） 可以看出，有防護(hù)情況下，由于防護(hù)材料的阻隔，沖擊波到達(dá)肺臟表面的時(shí)間延后，0.408 ms 時(shí)雙肺開始出現(xiàn)應(yīng)力變化，隨后0.556 ms 時(shí)應(yīng)力在雙肺均勻增強(qiáng)，0.638 ms 時(shí)應(yīng)力傳播至雙肺背側(cè)，0.720 ms 時(shí)應(yīng)力開始消散。與無(wú)防護(hù)相比，有防護(hù)的肺臟由于材料的防護(hù)作用，出現(xiàn)應(yīng)力變化晚，云圖呈現(xiàn)更均勻的應(yīng)力散布模式，整體應(yīng)力峰值較小。

為了對(duì)比不同工況下肺臟力學(xué)響應(yīng)分布，沿沖擊波傳播方向分別讀取右肺表面壓力（圖8）、皮下5 cm 處右肺矢狀面壓力（圖9），以及肺臟整體應(yīng)力（圖10）。由于沖擊波在穿過(guò)肺臟時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波、透射波和繞射波，因此力學(xué)響應(yīng)曲線會(huì)出現(xiàn)多個(gè)波峰。肺臟表面超壓峰值最大，波峰最多，在最大壓力峰值波峰前，有透射波產(chǎn)生的小波峰；隨著沖擊波的傳播，肺內(nèi)也逐漸出現(xiàn)力學(xué)響應(yīng)，遠(yuǎn)小于右肺表面的超壓峰值，且在肺表面及肺皮下5 cm 處的肺矢狀面，在出現(xiàn)最大壓力峰值前后，均出現(xiàn)負(fù)壓，負(fù)壓是導(dǎo)致肺泡過(guò)度擴(kuò)張、造成嚴(yán)重肺損傷的主要因素[20]。在不同的沖擊波超壓下，肺不同部位的應(yīng)力峰值和峰值時(shí)間各不相同，因此肺臟整體峰值應(yīng)力曲線數(shù)值小于右肺表面和右肺矢狀面的超壓峰值曲線。沖擊波壓力越大，肺各部出現(xiàn)最大應(yīng)力峰值的時(shí)間越早，最大應(yīng)力峰值也越大。

有防護(hù)的肺臟力學(xué)響應(yīng)曲線較無(wú)防護(hù)肺臟力學(xué)響應(yīng)曲線更為延后，起伏緩和，壓力峰值更??；防護(hù)后的肺各部位壓力曲線負(fù)壓極值變大，減少了沖擊波負(fù)壓所致的肺過(guò)度擴(kuò)張。此外100～500 kPa 工況下，肺表面最大峰值前的小波峰衰減消失，提示材料耗散了最早穿過(guò)肺臟的透射波；300～500 kPa 工況下，隨沖擊波壓強(qiáng)ps 的增大，防護(hù)后超壓峰值衰減增多，肺內(nèi)應(yīng)力的衰減率也隨超壓增大而增大（表3）。

2.2 人體肺沖擊傷防護(hù)后效應(yīng)分析

分別分析不同工況防護(hù)前后以及無(wú)防護(hù)時(shí)皮膚超壓峰值、肺內(nèi)壓力/應(yīng)力變化以及胸骨最大線速度，從而評(píng)估聚脲材料對(duì)沖擊波的衰減規(guī)律及對(duì)人員沖擊傷的防護(hù)效應(yīng)。

在比較防護(hù)材料對(duì)沖擊波的衰減率時(shí)（表4），使用無(wú)防護(hù)皮膚超壓峰值或防護(hù)材料前超壓峰值計(jì)算所得結(jié)果無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。分析有防護(hù)時(shí)聚脲材料對(duì)不同超壓沖擊波的衰減規(guī)律，得到衰減率與沖擊波載荷正相關(guān)的線性函數(shù)（R2 = 0.894 3， p = 0.015 1）（圖11），即沖擊波載荷越大，材料對(duì)沖擊波的衰減能力越強(qiáng)。在沖擊波載荷大于肺損傷閾值時(shí)，與無(wú)防護(hù)相比，在聚脲防護(hù)作用下，到達(dá)皮膚表面的超壓峰值衰減58.8%，效應(yīng)量Cohen’s d ＞ 0.8，說(shuō)明聚脲材料對(duì)沖擊波有較強(qiáng)的衰減作用；到達(dá)肺表面超壓峰值衰減68.3%，肺內(nèi)壓力及峰值應(yīng)力均顯著降低（表3）。沖擊波造成肺損傷的閾值為84.75～101.72 kPa[17]，因此當(dāng)沖擊波超壓小于200 kPa時(shí)，新型聚脲材料可將超壓峰值衰減至肺損傷閾值以下，有效防護(hù)人員免受肺沖擊傷；當(dāng)沖擊波超壓達(dá)到100% 致死載荷（483.39～677.73 kPa）[21]時(shí)，該材料仍能將超壓峰值衰減至非致命水平，保護(hù)人員免于傷亡，顯著提高傷員存活率。

通過(guò)胸骨表面最大線速度響應(yīng)曲線（圖12）判斷胸廓對(duì)肺臟的動(dòng)壓作用，從而評(píng)估沖擊波對(duì)肺的損傷效應(yīng)。與肺力學(xué)響應(yīng)曲線相似，胸骨最大線速度出現(xiàn)時(shí)間和大小與沖擊波強(qiáng)度相關(guān)，沖擊波越大，胸骨最大線速度峰值出現(xiàn)時(shí)間越早，數(shù)值越大。100～700 kPa 工況下，無(wú)防護(hù)時(shí)，胸骨最大線速度依次為0.73、1.94、2.60、2.94 和4.16 m/s；有防護(hù)時(shí)，相應(yīng)的胸骨最大線速度依次為0.39、1.39、2.00、2.68 和3.14 m/s，無(wú)防護(hù)時(shí)胸骨最大線速度約為有防護(hù)時(shí)的1.4 倍（圖13）。因此，防護(hù)后的胸骨運(yùn)動(dòng)速度較小，產(chǎn)生位移較小，對(duì)肺臟的動(dòng)壓損傷更小。Axelsson 等[22] 用最大入射胸壁速度作為評(píng)估沖擊波肺損傷的預(yù)測(cè)指標(biāo)，胸壁最大運(yùn)動(dòng)速度為3～4.5 m/s 是肺損傷的閾值，聚脲材料可將持續(xù)時(shí)間短的沖擊波導(dǎo)致的胸骨最大運(yùn)動(dòng)速度降低約22.4%，將致死載荷沖擊波所致的胸壁運(yùn)動(dòng)速度降低至肺損傷閾值以下。

3 結(jié) 論

本研究在前期實(shí)爆試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于山羊CT 掃描圖像，建立了山羊胸部有限元模型，并在山羊胸外添加防護(hù)材料模型模擬穿戴聚脲防護(hù)材料的情況，利用LS-DYNA 有限元程序中的流固耦合方法模擬了沖擊波對(duì)山羊胸部的直接損傷過(guò)程，構(gòu)建了試驗(yàn)動(dòng)物沖擊波防護(hù)后效應(yīng)有限元計(jì)算模型，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)有限元模型和數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證和優(yōu)化。當(dāng)山羊有限元分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)爆試驗(yàn)結(jié)果的誤差低于10% 時(shí)，認(rèn)為該模型參數(shù)、工況條件設(shè)置合理，繼而將相應(yīng)的模式、參數(shù)和工況加載到人員有限元模型上，獲得了聚脲材料對(duì)人員肺沖擊傷的防護(hù)效應(yīng)有限元計(jì)算模型，為新型防護(hù)材料用于人員肺沖擊傷的防護(hù)效能評(píng)估、防護(hù)后損傷程度預(yù)測(cè)提供了模型和方法，得到的主要結(jié)論如下。

（1） 右肺朝向爆心時(shí)，沖擊波肺損傷應(yīng)力主要集中在右肺下葉，下葉邊緣為甚。

（2） 防護(hù)模型肺臟整體損傷應(yīng)力較小，肺負(fù)壓極值增大，負(fù)壓所致肺過(guò)牽減弱。

（3） 在100～700 kPa 工況下，聚脲材料能夠有效衰減到達(dá)皮膚和肺臟表面的超壓峰值，且衰減能力隨沖擊波壓強(qiáng)的增大而增強(qiáng)。與無(wú)防護(hù)相比，在有防護(hù)的情況下，皮膚表面的超壓峰值衰減約58.8%，沖擊波上升時(shí)間延遲0.2～0.3 ms，肺表面的超壓峰值衰減約68.3%。在沖擊波載荷達(dá)到致肺損傷閾值時(shí)，聚脲材料可以防護(hù)人員免于肺沖擊傷的發(fā)生；更重要的是，沖擊波超壓達(dá)到100% 致死載荷時(shí)，該材料仍能保護(hù)人員免于傷亡，顯著提高傷員的存活率。

（4） 胸骨最大線速度與沖擊波強(qiáng)度正相關(guān)，與無(wú)防護(hù)相比，防護(hù)作用下胸骨最大線速度降低約22.4%。防護(hù)后的胸骨運(yùn)動(dòng)速度降低，位移減小，減輕了沖擊波動(dòng)壓對(duì)肺臟的損傷。聚脲材料可將致死載荷沖擊波所致的胸壁運(yùn)動(dòng)速度降低至肺損傷閾值以下。

綜上所述，本研究突破彈藥來(lái)源、爆炸當(dāng)量、生物活體力學(xué)測(cè)試的局限，通過(guò)數(shù)值模擬系統(tǒng)評(píng)估了聚脲材料在爆炸沖擊波作用下的防護(hù)效能，發(fā)現(xiàn)聚脲材料能夠顯著衰減沖擊波壓力，降低肺部應(yīng)力和壓力峰值，降低胸骨最大線速度，從而有效降低肺沖擊傷的發(fā)生率和嚴(yán)重程度。此外，本研究建立的計(jì)算機(jī)仿真評(píng)估模型可為新型防護(hù)材料、防護(hù)裝具的研發(fā)和應(yīng)用提供技術(shù)支撐，為新型防護(hù)材料用于人員肺沖擊傷的防護(hù)效能評(píng)估、防護(hù)后損傷程度預(yù)測(cè)提供方法，具有重要的軍事和社會(huì)意義。然而，研究中還存在一些局限性。首先，本研究主要關(guān)注的是正壓持續(xù)時(shí)間較短的沖擊波作用下防護(hù)材料對(duì)人體的防護(hù)情況，對(duì)于正壓持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的大規(guī)模爆炸沖擊波以及多次復(fù)雜沖擊波對(duì)人體的損傷情況，數(shù)值模擬中涉及的模型假設(shè)和簡(jiǎn)化可能無(wú)法進(jìn)行全面預(yù)測(cè)。其次，受技術(shù)限制，研究中不能充分考慮沖擊波加載后的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)響應(yīng)和可能的二次傷害效應(yīng)，這也是今后進(jìn)行防護(hù)材料評(píng)估數(shù)值模擬研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

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（責(zé)任編輯 張凌云）

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