冲击波对躯干的损伤机理

图6.16显示了TNT药量为0.5 kg、爆距为0.768 5 m、入射冲击波压力为1 000.68 kPa、冲量为143.01 kPa·ms时,心脏、肺脏、肝脏和骨骼在不同时刻的应力分布。

图6.16　不同时刻组织器官应力分布(0.5 kg TNT-No.1)

(a)心脏应力分布

冲击波于0.398 ms时开始作用于人体躯干,从图6.16中观察到骨骼、肝脏、肺脏和心脏应力出现的时间分别为0.398 ms、0.400 ms、0.404 ms和0.430 ms,其力学响应时间具有明显的差异性,并且骨骼应力出现的时间最早,其次是肝脏和肺脏,而心脏最后出现应力。这是因为在冲击波的作用下,距爆源最近的皮肤会首先变形而产生应力波,然后通过肌肉逐渐传播到胸骨、肋骨、肋软骨、肝脏、肺脏和心脏等组织器官,从而造成了组织器官力学响应时间的差异性,也体现了应力波由表及里、由近到远的传播规律。同时,由于肝脏前没有骨骼的保护作用,而肺脏和心脏位于骨骼系统内,且心脏又夹在两叶肺脏之间,故肝脏的应力响应时间早于肺脏,肺脏又早于心脏。

图6.16　不同时刻组织器官应力分布(0.5 kg TNT-No.1)(续)(www.xing528.com)

(b)肺脏应力分布;(c)肝脏应力分布

图6.16　不同时刻组织器官应力分布(0.5 kg TNT-No.1)(续)

(d)骨骼应力分布

另外,人体躯干正面朝向爆源时,组织器官的前部首先产生应力,然后以应力波的形式依次传播到组织器官内部和后部,并在传播过程中衰减,如心脏前部在0.430 ms产生应力,最大应力峰值为32.79 kPa,而后部在0.780 ms时才产生应力,最大应力峰值为13.22 kPa。由图6.11得到心脏、肺脏、肝脏、胸骨、肋骨和肋软骨的应力峰值分别为124.06 kPa、45.22 kPa、16.68 kPa、123.91 MPa、86.12 MPa和1.07 MPa,其中,肺脏、肝脏、胸骨、肋骨和肋软骨的最大应力峰值均位于距爆源最近的器官前部,心脏最大应力峰值位于动脉和静脉处。结合图6.16也发现在冲击波正面作用下,心脏、肺脏和肝脏中比较大的应力主要集中出现在正对爆源的前部,因此,肺脏前部的肺泡很容易被压垮而破裂,从而成为肺损伤较为严重的区域。然而,心脏除了前部受到较大的应力外,动脉和静脉也表现出较大的应力集中,并且动脉和静脉处的应力要大于心脏前部,如心脏动脉处的最大应力峰值为124.06 kPa,而心脏前部的最大应力峰值为32.79 kPa,主要是因为动脉和静脉壁太薄,在冲击波作用下很容易发生变形而产生较大的应力。故爆炸冲击波作用于人体躯干后,很容易造成心脏静脉和动脉的爆裂而导致心脏出血。

冲击波对人体的损伤效应,一方面是冲击波与人体组织器官作用时产生的应力波而导致的破裂、内爆裂等形式的损伤,另一方面是人体组织器官在冲击波作用下产生不同的运动速度而导致的组织器官接触面上的剪切伤、压伤和拉伤等损伤。