空气冲击波作用下肺部载荷特性数值模拟

巨圆圆，阮狄克，徐 成，胡 明，刘立洋，陈佳海，王 静，李 军，龙仁荣

当今世界局部战争时有发生，战争模式和作战武器不断变化，爆炸伤比例越来越大[1]。爆炸性武器的主要毁伤元素是破片和冲击波，分别对生物目标造成破片伤和冲击伤。有研究表明，伊拉克战争和阿富汗战争中78%的伤员由爆炸伤引起，破片伤比例为53%～81%，冲击伤比例约为50%[2-5]。冲击波对肺部的损伤是致命关键因素[6]。冲击波对生物组织的损伤过程，既是冲击波作用于生物组织的力学过程，也是生物组织以其独特而复杂的结构和材料特性响应冲击波作用的过程[7]。

数值模拟作为研究冲击波对动物致伤效应的一种新手段，已经受到国内外学者的广泛关注。兔体型适中，实验成本低，初步有限元模拟可为后期建立小药量爆炸伤实验动物模型奠定基础。作者通过建立兔胸部二维平面模型，利用ANSYS Autodyn有限元分析软件模拟空气冲击波与兔胸部的相互作用，分析空气冲击波作用下兔肺部载荷特性，为冲击波毁伤评估及其防护救治提供参考。

1 方法

1.1 胸部简化模型 基于兔胸部CT扫描数据，测量得到胸部结构特征尺寸，将胸部截面简化为圆形，包括肌肉、骨骼和肺脏，建立二维平面模型，见图1。

1.2 有限元计算模型 模拟空气冲击波对目标毁伤可以分2步进行：①建立一维计算模型，模拟空气冲击波的生成；②将一维计算结果作为初始条件，计算空气冲击波对目标的毁伤。

图1 兔胸部二维平面模型

空气冲击波一维计算模型如图2所示。TNT装药质量90 g，装药密度1.63 g/cm3，空气域半径为3 m，采用欧拉单元划分网格，网格大小为3 mm。为了监测不同爆炸距离处空气冲击波压力历史，在0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m处设置示踪点，分别标记为1、2、3、4。

图2 空气冲击波一维计算模型

图3为兔胸部冲击伤有限元计算模型。空气域大小为1 200 mm×420 mm，采用欧拉单元划分网格，网格大小为3 mm。兔胸部采用拉格朗日单元划分网格，网格大小为1 mm，肌肉、骨骼和肺脏采用共节点连接方式。在空气域中导入0.5 m爆炸距离处的空气冲击波载荷，利用流固耦合算法模拟空气冲击波与兔胸部的相互作用，空气域四周采用无反射边界条件，如图3A所示。为了观测应力波在胸部的传播特性，分别在迎爆面、侧面和背爆面3个位置设置示踪点，如图3B所示，其中，示踪点1、2、3、4设置在迎爆面肌肉表面、肌肉、骨骼和肺脏中；示踪点5、6、7、8设置在侧面肌肉表面、肌肉、骨骼和肺脏中；示踪点9、10、11、12设置在背爆面肌肉表面、肌肉、骨骼和肺脏中。

A：空气冲击波对兔胸部致伤的计算模型；B：兔胸部示踪点布置示意图图3 兔胸部冲击伤有限元计算模型

1.3 材料模型及参数 数值模拟中空气采用理想气体状态方程，密度ρ=1.23×10-3g·cm-3，气体常数γ=1.4。炸药爆轰产物采用JWL(Jones--Wilkins-Lee)状态方程，炸药密度ρ=1.63 g·cm-3，系数A=3.74×108KPa、B=3.74×106KPa、R1=4.15、R2=0.9、ω=0.35。肌肉和肺脏均采用线粘弹性本构模型，密度分别为ρ=1.2 g·cm-3和ρ=0.6 g·cm-3，静态剪切模量分别为G0=200 KPa和G0=67 KPa，瞬态剪切模量分别为G1=195 KPa和G1=65 KPa，体积模量分别为K=2.9 GPa和K=0.744 GPa，粘弹性衰减常数均为β=0.1；骨骼采用弹性本构模型，密度ρ=1.33 g·cm-3，杨氏模量E=0.355 GPa，泊松比ν=0.26[8-9]。

2 结果

2.1 空气冲击波压力 图4为不同爆炸距离处空气冲击波压力时程曲线。可以看出，爆炸距离越近，空气冲击波峰值超压越大，正压作用时间越短，冲击波强度随时间衰减越快；爆炸距离越远，空气冲击波峰值超压越小，正压作用时间越长，冲击波强度随时间衰减越慢。爆炸距离为0.5 m时，冲击波峰值超压为0.6 MPa，正压作用时间为0.4 ms。

表1 不同爆炸距离处空气冲击波峰值超压对比

2.2 胸部不同组织内压力分布 图5为兔胸部不同位置处肌肉表面、肌肉、骨骼和肺部压力随时间的变化曲线。从图5A可以看出，空气冲击波到达胸部表面时，由于肌肉的反射，产生壁面压力波，其强度远大于空气冲击波强度，壁面压力波随后分别透射进入肌肉、骨骼和肺部产生应力波，其中，骨骼中应力波峰值最大，肺部应力波峰值最小。从图5B、5C可以看出，肌肉、骨骼和肺部应力波传播速度大于壁面压力波传播速度，而且骨骼中应力波传播速度最快，因此，肌肉和肺部的初始应力波由骨骼中的应力波透射引起；另外，图5C表明，肺部远离空气冲击波直接作用的区域先产生拉伸波，随后由于壁面压力波的压缩作用，肺部的拉伸波转变为压缩波。

图5 兔胸部不同组织中压力时程曲线

2.3 肺部压力分布 图6为兔肺部不同位置处压力随时间的变化曲线。可以看出，肺部同时存在压缩波和拉伸波2类不同的应力波，在迎爆面处，壁面压力波经由肌肉和骨骼透射进入肺部，产生压缩波，压力峰值为0.82 MPa，随后压力迅速衰减，肺部压力主要受到骨骼-肺脏界面反射的影响；在背爆面处，骨骼中的应力波透射进入肺部，产生拉伸波，压力峰值为0.4 MPa，随后壁面压力波到达肺脏，肺部应力波转变为压缩波，肺部压力同时受到经骨骼透射的应力波、骨骼变形运动引起的应力波以及骨骼-肺脏界面反射的应力波的影响。

图6 兔肺部不同位置处压力时程曲线

3 讨论

冲击波会引起多种组织器官损伤，含气组织器官对冲击波致伤更为敏感，特别是肺脏，损伤率最高，损伤程度也最重[11-13]。Clemedson[14]指出爆炸创伤是爆炸冲击波与人体生物器官相互作用产生的效应，其中含气器官最易受到创伤，肺水肿、肺出血及动脉气栓是造成死亡的主要因素，冲击波的超压值、作用时间及波形共同决定了创伤效应。侯晓彬等[15]通过电起爆预制破片铝制雷管致兔胸部爆炸伤实验，结果表明冲击波主要靶器官为肺脏，冲击伤致急性肺功能损伤是伤后早期死亡的主要原因。徐立和金海[16]通过实验证明密闭环境中大鼠肺部爆炸伤伤情随冲击波强度的增大而加重，死亡率随体内肿瘤坏死因子α及白细胞介素6的增加而升高。梁毅等[17]建立了幼兔重度肺冲击伤实验动物模型，为肺冲击伤机制和损伤救治研究提供理想的动物模型。Boutillier等[18]对复杂冲击波与胸部替代品的相互作用及冲击波波形对胸部响应的影响进行了实验研究，结果表明，胸部速度和位移峰值是胸部损伤标准的重要参数。刘邦鑫等[19]对舱室内爆炸条件下生物体的损伤情况和伤情特点进行了研究。因此，本研究以兔胸部为研究对象，分析空气冲击波作用下兔肺部载荷特性，具有典型性。

国内外研究者针对冲击波作用下动物胸部的致伤特性开展了大量的数值模拟研究。Roberts和Chen[20]于1970年首次建立人体胸部有限元模型，该模型忽略了软组织特性，使用线弹性属性，仅对胸骨施加了静态载荷。在后续的研究中，Chen[21-22]使用动态模型合成技术和“胸腔/子系统”模型合成技术对该模型进行扩展，合成了内脏子系统。Lashkari等[23]建立人体胸部有限元模型并进行爆炸伤模拟，结果表明人体器官的创伤程度和类型与冲击波特性、身体朝向、防护装备和爆炸次数等相关。本研究利用ANSYS Autodyn有限元分析软件对空气冲击波作用下兔胸部的动态响应特性进行数值模拟。ANSYS Autodyn有限元分析软件集成于ANSYS软件平台，拥有高精度多物质Euler-Godunov求解器、丰富的材料模型数据库、灵活的一维映射技术、完全的流固耦合算法以及有效的并行求解技术等，在模拟爆轰波的形成、传播以及对目标的毁伤效应方面具有模拟精度高和计算效率快的特点，是爆炸力学领域广泛应用的有限元分析软件之一[24]。球形TNT装药中心起爆后，产生高温高压爆轰产物，强烈压缩周围空气，从而形成空气冲击波。空气冲击波与目标接触之前，以球对称形式向四周传播。本研究首先通过一维映射技术计算空气冲击波的形成，然后利用流固耦合算法模拟空气冲击波与兔胸部的相互作用，既节省了计算资源又保证了计算精度。

Bowen等[25]对大量动物爆炸伤实验数据进行了总结分析，绘制了著名的Bowen创伤曲线，并且发现兔比人体对空气冲击波的承受能力小。Gruss[26]和Bass等[27]分别对Bowen创伤曲线进行了修正。参考修正的Bowen创伤曲线，可以发现90 g TNT装药爆炸会造成0.5 m爆炸距离处的兔死亡。本研究数值模拟结果表明，兔肺部迎爆面、侧面和背爆面处的压力峰值分别为0.82 MPa、0.5 MPa和0.4 MPa。空气冲击波造成人体肺部重伤的压力阈值为0.24 MPa[8]。可以推断，90 g TNT装药爆炸会造成0.5 m爆炸距离处的兔死亡，这与参考修正的Bowen创伤曲线的结果一致。因此，本研究数值模拟的结果是可靠的。

兔胸部在空气冲击波作用下动态响应的数值模拟结果表明，在冲击波与胸部接触的局部区域，肺部压力首先由壁面压力波经肌肉、骨骼透射进入肺部产生；肺部其他区域的压力首先由骨骼中传播的应力波透射进入肺部产生，即由冲击波作用下胸部结构动态响应引起。空气冲击波作用下，兔肺部载荷来源于4个方面：①空气冲击波在胸部表面反射产生的壁面压力波经肌肉、骨骼透射进入肺部的应力波；②骨骼变形运动在肺部引起的应力波，这与康建毅等[28]对动物在密闭舱室内空气冲击波作用下的动态响应试验结果一致，胸壁的变形运动与损伤严重程度有较好的相关关系，是预测冲击伤伤情的可靠参数；③由骨骼-肺界面反射产生的应力波；④肺部各种波动共同作用形成负压区，进而引起的空穴效应。这与一些学者对冲击波作用下颅脑创伤的研究结果相似。Panzer等[29]建立人体颅脑有限元模型，对不同冲击波条件下颅脑动态响应进行数值模拟，探讨了脑脊髓液空穴现象对颅脑创伤的影响。第1种载荷是空气冲击波对兔肺部的直接作用，主要对冲击波与胸部接触的局部区域造成损伤；后3种载荷是空气冲击波对兔肺部的间接作用，主要对骨骼与肺部接触的区域造成损伤。

本研究通过数值模拟，获得了空气冲击波作用下兔胸部各组织中应力波的传播过程以及兔肺部载荷特性。但是，存在以下2点局限：①将兔胸部简化为二维平面模型，没有考虑胸部具体组织结构；②只考虑空气冲击波通过胸部组织在肺脏中引起的损伤，而没有考虑空气冲击波通过呼吸道进入肺脏引起的损伤。在以后的研究中，将进一步完善胸部有限元模型，并考虑冲击波通过呼吸系统对肺脏造成的损伤，为更加准确地模拟预测肺部冲击伤以及揭示肺部冲击伤机理奠定基础。

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