人体躯干组织器官的力学响应探析

当研究冲击波作用下人体躯干组织器官的力学响应时,空气域和人体躯干之间必须进行流固耦合(即冲击波会有反射、透射和绕射现象)。由于冲击波对人体躯干损伤的评价只会用到入射冲击波特征参数,考虑反射冲击波、透射冲击波(渗透到人体躯干组织器官中的冲击波)和绕射冲击波(人体躯干周围的冲击波)的特征参数没有太大的意义,这里不做这部分研究。

以组织器官最大应力为应力测量点,选取第5根胸骨、肋骨和肋软骨前表面中心位置为速度测量点。由于肋软骨位于两叶肺脏的正前方,在冲击波的作用下,肋软骨会对肺脏产生正面的压缩作用,故本书将肋软骨速度作为胸壁运动速度,以评价冲击波对肺脏的损伤。

图6.9显示了TNT药量为0.005 kg、爆距为0.165 8～0.636 2m、入射冲击波压力为52.14～997.52 kPa、入射冲击波冲量为9.18～31.55 kPa·ms时,人体躯干组织器官的力学响应曲线。

图6.9　0.005 kg TNT下的组织器官力学响应

(a)肝脏的Mises应力随时间的变化;(b)心脏的Mises应力随时间的变化;(c)肺脏的Mises应力随时间的变化;(d)胸骨的Mises应力随时间的变化;(e)肋骨的Mises应力随时间的变化;(f)肋软骨的Mises应力随时间的变化

图6.9　0.005 kg TNT下的组织器官力学响应(续)

(g)胸骨速度随时间的变化;(h)肋骨速度随时间的变化;(i)肋软骨速度随时间的变化

图6.10显示了TNT药量为0.05 kg、爆距为0.355 3～1.392 0 m、入射冲击波压力为50.90～1 000.51 kPa、入射冲击波冲量为19.15～66.48 kPa·ms时,人体躯干组织器官的力学响应曲线。

图6.10　0.05 kg TNT下的组织器官力学响应

(a)肝脏应力;(b)心脏应力

图6.10　0.05 kg TNT下的组织器官力学响应(续)

(c)肺脏应力随时间的变化;(d)胸骨应力随时间的变化;(e)肋骨应力随时间的变化;(f)肋软骨应力随时间的变化;(g)胸骨速度随时间的变化;(h)肋骨速度随时间的变化

图6.10　0.05 kg TNT下的组织器官力学响应(续)

(i)肋软骨速度随时间的变化

图6.11显示了TNT药量为0.5 kg、爆距为0.768 5～2.998 0 m、入射冲击波压力为51.73～1 000.68 kPa、入射冲击波冲量为41.93～143.01 kPa·ms时,人体躯干组织器官的力学响应曲线。

图6.11　0.5 kg TNT下的组织器官力学响应

(a)肝脏应力随时间的变化;(b)心脏应力随时间的变化

图6.11　0.5 kg TNT下的组织器官力学响应(续)

(c)肺脏应力随时间的变化;(d)胸骨应力随时间的变化;(e)肋骨应力随时间的变化;(f)肋软骨应力随时间的变化;(g)胸骨速度随时间的变化;(h)肋骨速度随时间的变化

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图6.11　0.5 kg TNT下的组织器官力学响应(续)

(i)肋软骨速度随时间的变化

图6.12显示了TNT药量为4.0 kg、爆距为1.539 8～5.986 0 m、入射冲击波压力为51.02～999.63 kPa、入射冲击波冲量为82.47～285.81 kPa·ms时,人体躯干组织器官的力学响应曲线。

图6.12　4.0 kg TNT下的组织器官力学响应

(a)肝脏应力随时间的变化;(b)心脏应力随时间的变化;(c)肺脏应力随时间的变化;(d)胸骨应力随时间的变化

图6.12　4.0 kg TNT下的组织器官力学响应(续)

(e)肋骨应力随时间的变化;(f)肋软骨应力随时间的变化;(g)胸骨速度随时间的变化;(h)肋骨速度随时间的变化;(i)肋软骨速度随时间的变化

人体躯干组织器官的力学响应会受其力学性能、组织结构和空间位置的影响。由图6.9可知,在不同的冲击波压力下,不同组织器官的应力峰值、最大速度均存在差异性,并且应力峰值、最大速度出现的时间也不同,如冲击波压力峰值为1 000.68 kPa和800.30 kPa时,心脏应力峰值分别出现在1.360 ms、1.468 ms处,为124.06 kPa、108.49k Pa;肺脏应力峰值分别出现在0.876 ms、0.946 ms处,为45.22 kPa、39.94 kPa;胸骨最大速度分别出现在0.482 ms、0.566 ms处,为4.73 m/s、3.74 m/s;肋软骨最大速度分别出现在0.492 ms、0.574 ms处,为10.34 m/s、8.20 m/s。但应力及速度的变化趋势基本相同,均呈现先迅速增大、后缓慢衰减的趋势。

当爆炸冲击波作用到人体躯干后,由于冲击波压力瞬间达到峰值,组织器官的应力及速度会瞬间响应并很快达到峰值,如压力峰值为1 000.68 kPa的冲击波在0.398 ms时作用于人体躯干,心脏应力响应开始的时间为0.438 ms,并于1.358 ms时达到峰值;肋软骨速度响应开始的时间为0.398 ms,并于0.492 ms时达到峰值。随着冲击波压力的衰减,组织器官的应力和速度也将随之衰减,但由于应力波在人体躯干组织器官中传播时,会受到组织器官的反射作用,尤其是骨骼,从而导致组织器官的应力及速度曲线出现一定程度的波动。同时,根据前面提到的冲击波平均速度和压力上升时间随比例距离的增大而减小,并结合组织器官应力及速度变化曲线,发现随着冲击波超压峰值的减小(比例距离增大),组织器官应力和速度上升时间越长,力学响应速度越缓慢,如冲击波压力峰值为1 000.68 kPa和800.30 kPa时,冲击波平均速度分别为1 930.95 m/s、1 770.11 m/s,心脏应力上升时间分别为0.920 ms、0.950 ms,肋软骨速度上升时间分别为0.094 ms、0.098 ms。因此,冲击波平均速度和压力上升时间也会影响组织器官的力学响应。

图6.13和图6.14分别显示了组织器官的应力峰值和速度峰值,可以发现应力峰值及速度峰值与比例距离和TNT药量存在密切的联系。

图6.13　不同TNT药量下各组织器官的峰值应力

(a)0.005 kg TNT;(b)0.05 kg TNT;(c)0.5 kg TNT

图6.13　不同TNT药量下各组织器官的峰值应力(续)

(d)4.0 kg TNT

当TNT药量一定时,冲击波超压、组织器官应力峰值和速度峰值均随比例距离的增大而减小;当比例距离一定时,冲击波冲量、组织器官应力峰值和速度峰值均随TNT药量的增大而增大。如TNT药量为0.05 kg、爆距为0.447 1m时,得到的冲击波压力、冲量和肋软骨速度分别为603.36 kPa、54.90 kPa·ms、4.26 m/s;而TNT药量为0.5 kg、爆距为2.105 0 m时,得到的压力、冲量和肋软骨速度分别为101.99 kPa、56.35 kPa·ms、0.82 m/s。可以看出冲击波冲量基本相同,但冲击波压力相差6倍,从而造成肋软骨速度的巨大差异性,故冲击波压力会影响人体躯干的损伤。TNT药量为0.005 kg、爆距为0.165 8 m时,得到的冲击波压力、冲量和肋软骨速度分别为997.52 kPa、31.55 kPa·ms、2.73 m/s;而TNT药量为4.0 kg、爆距为1.539 8 m时,得到的压力、冲量和肋软骨速度分别为999.63 kPa、285.81 kPa·ms、16.37 m/s。可以看出冲击波压力基本相同,但冲击波冲量相差9倍左右,从而造成肋软骨速度的差异性,故冲击波冲量也会影响人体躯干的损伤。因此,人体躯干的损伤情况是由冲击波压力和冲量共同决定的,而冲击波压力和冲量又是通过正压持续时间T+联系起来的,即I=∫p d T+,故冲击波正压持续时间也是决定人体躯干损伤程度的主要因素。

由于组织器官的力学性能、组织结构和空间位置的不同,造成了组织器官的应力和速度峰值的差异性。数值模拟得到所有计算工况下的肝脏、心脏、肺脏、胸骨、肋骨和肋软骨的应力峰值范围分别为0.61～30.03 kPa、4.16～246.66 kPa、1.75～78.99 kPa、5.02～182.22 MPa、3.55～144.70 MPa、0.04～2.02 MPa,可以看出骨骼的应力要比软组织的应力大一个量级,这是由于骨骼比软组织坚硬,承受了大部分的能量,所以骨骼会对内脏器官起到一定的保护作用。

图6.14显示了所有计算工况下,肌肉、肝脏、心脏、肺脏、胸骨、肋骨和肋软骨的最大速度范围分别为0.06～2.40 m/s、0.11～4.61 m/s、0.08～3.41 m/s、0.07～3.33 m/s、0.14～5.14 m/s、0.10～4.40 m/s、0.27～12.68 m/s。由于各组织器官运动速度的不同,会导致组织器官产生相对位移,从而造成组织器官接触面上的损伤。在爆炸冲击波的作用下,心脏和肺脏的运动速度相对较小,这就很容易造成组织器官接触面上产生剪切伤、压伤或拉伤。另外,即使某些组织器官的运动速度峰值基本相同,但其力学性能、组织结构和空间位置会影响速度峰值出现的时间,最终导致组织器官速度的不同,从而造成组织器官接触面上的损伤。因此,组织器官运动速度的差异性也是造成人体躯干损伤的重要因素。

图6.14　不同TNT药量下各组织器官的最大速度

(a)0.005 kg TNT;(b)0.05 kg TNT

图6.14　不同TNT药量下各组织器官的最大速度(续)

(c)0.5 kg TNT;(d)4.0 kg TNT