爆炸沖擊波作用下胸壁動態(tài)響應與肺部損傷的關系

徐 成，巨圓圓，胡 明，龍仁榮，阮狄克

局部戰(zhàn)爭、恐怖襲擊和工業(yè)生產(chǎn)爆炸事故時有發(fā)生，沖擊波對人體造成的創(chuàng)傷受到國內外學者的廣泛關注[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驗和數(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)關系。

1 研究方法

1.1 實驗對象與方法 開展不同爆炸沖擊波作用下兔肺部損傷實驗，獲得不同爆炸距離處兔肺部損傷傷情。實驗采用長徑比1∶1的柱形TNT裝藥，裝藥量為90 g。炸藥采用電雷管起爆，利用自由場壓力傳感器對沖擊波信號進行測量，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[北京科宇動物養(yǎng)殖中心提供，實驗動物許可證編號SCXK(京)2017-0002號)]，體質量(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，實驗動物采用麻醉鎮(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，對當場死亡的兔立即解剖，其他兔觀察24 h后處死，進行解剖，觀察肺部損傷情況，記錄肺部損傷面積按照柯文琪等[5]采用的評定方法進行傷情評定，作為實驗動物損傷情況的判定標準，進而分析沖擊波作用下兔肺部損傷傷情。

1.2 數(shù)值模擬 對兔進行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算模型。利用ANSYS/AUTODYN有限元分析軟件對實驗工況進行數(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，近似以球對稱形式向四周傳播。因此，可以通過兩步模擬沖擊波對兔胸部的致傷效應。第一步利用一維計算模型模擬沖擊波形成；第二步將一維計算結果作為初始條件，模擬沖擊波對兔胸部的損傷效應。圖1為空氣沖擊波致兔胸部損傷的有限元計算模型。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模型，骨骼采用彈性本構模型，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 結果

2.1 肺部損傷傷情 0.5、0.6 m處實驗動物當場死亡，肺部出現(xiàn)彌漫性出血；0.7 m處的實驗動物，肺部出現(xiàn)片狀出血，屬中度損傷；0.9、1.0m處實驗動物，肺部有點狀出血，屬輕度損傷；1.2 m處實驗動物，肺部有少量點狀出血，屬于輕度損傷。圖2為利用自由場壓力傳感器測量的沖擊波峰值超壓隨爆炸距離的變化曲線?？梢钥闯?，沖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，不同時刻胸壁變形速度云圖。t=0.265 ms時，胸壁受到肌肉中傳播的應力波的壓縮作用發(fā)生快速變形；隨著應力波在胸壁中傳播，胸壁變形逐漸增大，t=0.292 ms時，胸壁變形速度達到最大值2.3 m/s；隨后胸壁的變形速度出現(xiàn)周期性波動，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；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之間的關系為=(R/0.6)-5.64，進而可以獲得不同胸壁變形速度V所對應的肺部損傷度。通過對0.6、0.7、1.0、1.2 m處胸壁變形速度的數(shù)值模擬結果及相應的肺部損傷度進行擬合，獲得肺部損傷度與胸壁變形速度之間的函數(shù)關系：=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

爆炸沖擊波對含氣組織器官的損傷最為嚴重，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內外學者廣泛研究。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、肺出血及動脈氣栓是造成人員死亡的主要因素，沖擊波超壓、作用時間及波形共同決定了創(chuàng)傷效應。徐立和金海[13]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，死亡率隨體內腫瘤壞死因子-α及白細胞介素-6的增加而升高。Axelsson和Yelverton[14]建立人體胸部一維動力學模型，將沖擊波的測量結果作為輸入?yún)?shù)，得到胸壁的速度響應，給出爆炸沖擊波創(chuàng)傷效應與胸壁速度峰值之間的關系。Stuhmiller等[15]對Axelsson和Yelverton提出的模型和計算方法進行改進，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)傷關系，計算結果和實驗數(shù)據(jù)完全符合。van der Voort等[16]針對沖擊波正壓持續(xù)時間不同，提出了作用于空氣自由場人體載荷的計算方法，建立了一種預測爆炸傷傷情的工程化模型。本研究利用實驗和數(shù)值模擬相結合的方法，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系。

利用數(shù)值模擬方法對爆炸沖擊波作用下胸部動態(tài)響應進行研究越來越受到國內外學者的重視。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力學響應過程，研究結果表明，在爆炸沖擊波與人體胸部的相互作用下，各器官會產(chǎn)生不同的運動速度，由此產(chǎn)生的剪切應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)人體胸部各個器官的不同，選擇合理的材料模型和參數(shù)，建立簡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)人體胸部各個器官運動的速度差，預測創(chuàng)傷的區(qū)域分布。本研究利用有限元分析軟件AUTODYN對不同沖擊波作用下兔胸壁動態(tài)響應進行數(shù)值模擬。AUTODYN擁有高精度多物質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、完全的流固耦合算法以及有效的并行求解技術等，在爆炸毀傷模擬方面具有精度高和計算效率快的特點[20]。從圖2可以看出，當爆炸距離為0.5 m時，沖擊波峰值超壓數(shù)值模擬結果比實驗結果偏小，這是因為實驗中利用雷管起爆炸藥，對爆炸距離較近處的沖擊波具有增強效應?？傮w來看，沖擊波峰值超壓的數(shù)值模擬結果和實驗結果基本一致，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處的兔當場死亡，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態(tài)響應的數(shù)學模型可以計算胸壁位移、速度、加速度和胸內壓力。ASII創(chuàng)傷評分、動物損傷和胸壁最大變形速度之間具有很好的相關性[21]。將實驗測試得到的沖擊波壓力時程曲線應用到數(shù)學模型中，計算出胸壁最大變形速度V，然后利用方程ASII=0.175·V1.205就可計算出ASII創(chuàng)傷評分，從而對沖擊波造成的人體損傷進行評估。本研究基于實驗和數(shù)值模擬結果，建立肺部損傷度與胸壁變形速度之間的函數(shù)關系為φ=0.3192V3.0119。該方法不需要通過數(shù)學模型求解沖擊波載荷下胸部的動態(tài)響應，只要根據(jù)數(shù)值模擬結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，本研究通過實驗和數(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)關系φ=0.3192·V3.0119，結果表明胸壁變形速度能夠預測爆炸沖擊波作用下肺部損傷傷情。