徐草草 楊啟明 尹福成

（1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 樂山 614000）（2.中國移動(dòng)樂山分公司 樂山 614000）（3.內(nèi)江師范學(xué)院 內(nèi)江 641100）

1 引言

沖擊波是由爆炸產(chǎn)生的一種氣體沖擊力波。它是沖擊波作用于機(jī)體結(jié)構(gòu)的力學(xué)過程，也是生物體以其獨(dú)特而復(fù)雜的力學(xué)特性響應(yīng)沖擊波作用的過程［1］。當(dāng)它與生物體（人體、動(dòng)物體）接觸時(shí)，會(huì)造成生物體發(fā)生瞬時(shí)形變，從而造成靶向器官（肺部、肝臟等）損傷［2～6］，輕則身體不適，器官受損，嚴(yán)重的甚至可以致命。因此對(duì)于生物體在爆炸沖擊中的損傷特性研究對(duì)研究防沖擊設(shè)備來說是非常重要的。

目前大部分的研究集中在生物體實(shí)驗(yàn)［7～8］（動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，尸體實(shí)驗(yàn)）以及有限元模型計(jì)算方面［5，7～11］，他們的研究都是獨(dú)立地進(jìn)行。這就造成動(dòng)物實(shí)驗(yàn)缺少理論模型的支持與解釋，而有限元模型缺少對(duì)應(yīng)的驗(yàn)證分析。

為了解決以上兩個(gè)問題，我們提出基于爆炸沖擊環(huán)境下沖擊波對(duì)生物體損傷特性性能分析的有限元模型，模型的幾何參數(shù)選用實(shí)驗(yàn)生物體的測量近似參數(shù)。通過在ANSYS中建立有限元模型，并設(shè)定氣壓沖擊波壓力來計(jì)算生物體受力及形變情況；為了驗(yàn)證該模型的合理性，設(shè)計(jì)了充氣氣壓沖擊試驗(yàn)，來驗(yàn)證模型的合理性。

2 模型

2.1 胸腔模型建立與簡化

通過測量驗(yàn)證動(dòng)物，我們得到動(dòng)物胸部厚度為213mm，寬度為118mm，胸圍為516mm。為了簡化建模過程，將動(dòng)物胸部簡化為一個(gè)橢圓形的圓柱體，柱體的截面橢圓長軸為213mm，短軸為118mm，周長為516mm，和測量動(dòng)物幾何數(shù)據(jù)一致。柱體高為229mm（與動(dòng)物胸腔數(shù)據(jù)一致）。根據(jù) ZHU［10］和 LI［5］的方法，將模型劃分為層狀結(jié)構(gòu)，從外到內(nèi)分別為皮膚、肌肉、骨骼、肌肉以及內(nèi)臟。在近似化處理中，根據(jù)生物體組織結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，將骨骼再次劃分為胸骨、肋骨和肋軟骨，見圖1（a），而內(nèi)臟器官中，受損單元主要是肺部、心臟、肝臟。因此在內(nèi)臟建模方面我們將其簡化為肺部、心臟、肝臟三個(gè)主要部分。

2.2 模型參數(shù)及網(wǎng)格劃分

根據(jù) Roberts［12］提供的胸部組織，器官等材料類型和特性參數(shù)，為模型各部分指定相應(yīng)的材料類型和特征參數(shù)。定義單元類型為SOLID164。由LI［5］的結(jié)論得出，通過六面體單元建模的性能要明顯優(yōu)于四面體單元建模。為此，我們采用映射網(wǎng)格劃分的方法將皮膚，肌肉和骨骼劃分為六面體單元，采用掃掠劃分方式將心臟、肺部、肝臟劃分為六面體網(wǎng)格。和LI［5］建立數(shù)字人模型一樣，采用共節(jié)點(diǎn)的方式約束模型不同部分的接觸界面。

2.3 撞擊模型

為了建模方便，在保證模型質(zhì)量和撞擊面面積與實(shí)物相同的前提下，使用圓柱體建立撞擊頭模型。圓柱體橫截面面積為25mm，長度75mm。使用線彈性材料建模，材料參數(shù)選用ANSYS定義的金屬材料參數(shù)：密度2710kg/m3，彈性模量為69GPa，泊松比為0.33，根據(jù)以上參數(shù)撞擊頭的質(zhì)量約為368.3g（圖1（b））。

圖1 基于數(shù)字人的數(shù)值模型

2.4 邊界條件

在接觸邊界條件上，我們定義只有撞擊頭會(huì)與皮膚組織部分存在接觸，定義它的接觸類型為點(diǎn)-面接觸。靜磨擦系數(shù)為0.54，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.14，接觸時(shí)間為0s～1000000s內(nèi)，其他接觸參數(shù)與接觸面參數(shù)為系統(tǒng)默認(rèn)值。由于驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，驗(yàn)證生物體被固定在致傷架上（圖2（a）），撞擊時(shí)不能向前移動(dòng)，故模型背側(cè)的最后兩列節(jié)點(diǎn)添加為固定約束。按照生物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過高清數(shù)碼相機(jī)采集獲得不同充氣壓力下撞擊頭的初始速度，將這一速度設(shè)置為撞擊頭的初始速度。

圖2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.5 模型計(jì)算

參照驗(yàn)證生物體實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)置求解時(shí)間為10ms，輸出時(shí)間間隔為0.2ms，以ASCLL文件格式輸出接觸面合力，打開子循環(huán)設(shè)置來節(jié)約計(jì)算時(shí)間。輸出k文件，并使用ANSYS LS-DYNA求解器求解。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)中，我們將一只成年狗（胸部厚度為213mm，寬度為118mm，胸圍為516mm）作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在試驗(yàn)中，為了降低狗緊張不安的情緒，減小因?yàn)楣穭×疫\(yùn)動(dòng)帶來的噪聲影響；給狗注射了46ml（0.06mg/kg）濃度為5%的Fentanyl Citrate Injection溶液，20min后狗處于半昏迷狀態(tài)，但心跳和脈搏均正常，在此狀態(tài)下進(jìn)行活體實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中我們使用了我們自行設(shè)計(jì)的臥式生物撞擊機(jī)，美國Red?Lake公司的HE型高速攝像機(jī)，美國MS公司的64-2000-10-360-xy加速度傳感器，以及美國NI公司的USB-6363數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中對(duì)不同充氣壓力下獲得的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行微分得到速度，二次微分得到加速度和由加速度數(shù)據(jù)計(jì)算得到的撞擊力極大值（見表1）。

表1 生物實(shí)驗(yàn)參數(shù)與模型計(jì)算參數(shù)

4 結(jié)果及分析

在后處理程序中打開結(jié)果文件，在模型正面受沖擊部位取一節(jié)點(diǎn)（N77416），繪制節(jié)點(diǎn)的位移—時(shí)間曲線作為模型的胸壁變形—時(shí)間曲線。載入合成界面接觸力文件rcforc，繪制撞擊頭與模型的作用力—時(shí)間曲線。將曲線數(shù)據(jù)保存為成對(duì)的x，y文件，并不同充氣壓力條件下計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值數(shù)據(jù)導(dǎo)入OriginPro 9.1@中，分別繪制不同充氣壓力條件下計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的作用力—時(shí)間曲線，胸腔壁形變—時(shí)間曲線（圖3～圖7）。

圖3 600kPa時(shí)作用力—時(shí)間曲線與胸腔壁形變—時(shí)間曲線

圖4 650kPa時(shí)作用力—時(shí)間曲線與胸腔壁形變—時(shí)間曲線

圖5 700kPa時(shí)作用力—時(shí)間曲線與胸腔壁形變—時(shí)間曲線

圖6 750kPa時(shí)作用力—時(shí)間曲線與胸腔壁形變—時(shí)間曲線

圖7 800kPa時(shí)作用力—時(shí)間曲線與胸腔壁形變—時(shí)間曲線

在實(shí)驗(yàn)中因?yàn)槲覀冞x用活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，就避免了Bir［13］所遇到的尸體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)存在缺少肌肉張力，呼吸和動(dòng)脈壓的限制。同時(shí)由于沖擊速度增加，加載時(shí)間變短，這些微小的張力影響是幾乎可以忽略的［14～15］。因此該實(shí)驗(yàn)值是真實(shí)可信的。通過圖3～圖7在時(shí)域上，不論是作用力還是胸腔壁形變模型的計(jì)算值，與實(shí)驗(yàn)值都存在一定的差異。這是因?yàn)樵诮＿^程中對(duì)幾何體的一些簡化以及組織簡化所造成的。但模型的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢幾乎是一致的，這說明我們建立數(shù)字人來分析真實(shí)人體的沖擊損傷效應(yīng)是真實(shí)可行的。

同時(shí)通過分析相同時(shí)間（2ms）下，不同的撞擊力條件下作用力—時(shí)間曲線與胸腔壁形變—時(shí)間曲線（圖8），不難發(fā)現(xiàn)，模型的變化趨勢與實(shí)驗(yàn)變化趨勢幾乎完全一致。雖然存在一定的誤差，但是我們?nèi)绻捎脭?shù)字人的建模方法來建立數(shù)字生物，這些誤差應(yīng)該會(huì)變得非常小。因此本文所設(shè)計(jì)的建模方法是真實(shí)有效的。

圖8 2ms時(shí)作用力—時(shí)間曲線與胸腔壁形變—時(shí)間曲線

5 結(jié)語

為了驗(yàn)證中國數(shù)字人模型在研究人體胸腔損傷特性反演的準(zhǔn)確性，本文提出了一種基于中國數(shù)字人模型建模方法的活體生物體參數(shù)簡化快速反演模型，在建模中加入實(shí)際生物體參數(shù)和簡化模型得到近似生物體胸腔有限元模型。通過分析模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符。因此得出利用CT數(shù)據(jù)集建立數(shù)字人模型的方法，能夠完成近似真實(shí)物態(tài)環(huán)境的反演有限元模型的重建，模型能夠滿足進(jìn)行人體胸部損傷特性研究的需要。