冲击波压力场分布分析

图6.7显示了0.5 kg TNT-No.1计算工况下人体躯干表面的冲击波压力场分布。冲击波载荷在0.398 ms时首先作用于人体躯干距爆源最近的部位,并且该部位所受的冲击波压力最大,压力峰值为1 000 kPa,随后冲击波压力以该部位为中心点不断向外衰减。因此,整个人体躯干均会受到冲击波的作用,但不会同时受到同等载荷的冲击波作用,其原因为:①球形TNT装药产生的冲击波波阵面并非平面而是球形;②人体躯干各部位与爆源的距离各不相同。这就反映出冲击波是以波阵面的形式作用于人体躯干的,其作用面积较大,因此,冲击波对整个人体躯干均具有明显的损伤效应。

图6.7　不同时刻人体躯干表面入射冲击波压力分布(0.5 kg TNT-No.1)

冲击波作用于人体躯干(障碍物)时,会在人体躯干周围(左侧、右侧、顶端、低端)形成绕流现象,如图6.8所示。当绕流绕到人体躯干后方继续运动时,就会发生相互碰撞现象,从而造成碰撞区(人体躯干后方)压力的骤然升高。(www.xing528.com)

图6.8　冲击波在人体躯干周围的绕流现象

空气域尺寸会影响冲击波的绕流,因而也会影响到人体躯干的力学响应。如果要全面准确地反映冲击波对人体躯干的损伤情况,就必须建立大尺寸空气域以减小冲击波绕流对人体躯干力学响应的影响,但空气域尺寸的增大又会导致冲击波损伤模型计算时间的增加。如果采用2个CPU进行求解,且求解时间(计算终止时间)为1 ms时,则空气域尺寸为60 cm×60 cm×80 cm的冲击波损伤模型的计算时间约7 h,空气域尺寸为100 cm×80 cm×120 cm的冲击波损伤模型的计算时间约11 h,空气域尺寸为150 cm×150 cm×150 cm的冲击波损伤模型的计算时间约27 h。对于冲击波正压持续时间较短的冲击波损伤模型,其求解时间较短,故采用大尺寸空气域进行求解的计算时间是可以接受的;而对于冲击波正压持续时间较长的冲击波损伤模型,需要设置较长的求解时间,采用大尺寸空气域进行求解,必然会花费大量的计算时间,如4 kg-No.8计算工况,其求解时间为30 ms,计算时间约810 h(约34天),这显然是不可接受的。因此,为减小空气域尺寸对冲击波绕流的影响和冲击波损伤模型的计算时间,对于计算成本与计算精度之间的矛盾,可以选择一个合适尺寸的空气域进行求解,从而达到所需计算精度。

采用长宽高为60 cm×60 cm×80 cm空气域进行冲击波损伤的研究,最长计算时间约210 h(约9天),该计算时间是可以接受的。为验证该空气域尺寸的合理性,对以上三种空气域尺寸对冲击波绕流和人体躯干力学响应的影响程度进行分析。通过对比肋软骨的最大速度,得出空气域尺寸对人体躯干力学响应参数的影响范围在3%内,故认为采用的空气域尺寸是合理的。根据冲击波对人体的损伤形式也可以发现:在正面冲击波的作用下,人体躯干前部受到的压力和冲量最大,组织器官前部(朝向爆源部分)的损伤最为严重,力学响应参数最大。同时,人体躯干组织器官力学响应参数监测点位于组织器官前部,而冲击波绕流主要影响人体躯干后部,因此,冲击波绕流对本书监测的组织器官力学响应参数的影响是有限的,并且对人体躯干损伤的影响也是非常有限的。