摘要: 肺沖擊傷是爆炸后第一級沖擊傷最常見的死因,進(jìn)行有效防護(hù)是減輕傷情、提升救治效能的最優(yōu)舉措。聚脲材料作為軀體防具的研究尚在起步階段,本研究通過有限元數(shù)值模擬探討了沖擊波作用下聚脲材料對肺臟的防護(hù)效應(yīng)及其對沖擊波的衰減特性。首先利用LS-DYNA 軟件模擬沖擊波對穿戴防護(hù)材料的山羊胸部的直接損傷過程,然后通過實爆測壓數(shù)據(jù)及肺大體傷情進(jìn)行有效性驗證,最后利用該沖擊波防護(hù)后效應(yīng)有限元計算模型完成聚脲材料對人員肺沖擊傷防護(hù)效應(yīng)的評估。結(jié)果表明:右肺朝向爆心時,沖擊波肺損傷應(yīng)力主要集中在右肺下葉,防護(hù)模型肺臟整體應(yīng)力較小,肺所受負(fù)壓所致肺過牽效應(yīng)減弱;聚脲材料能夠有效衰減到達(dá)皮膚和肺臟表面的超壓峰值約58.8%,降低胸骨最大線速度約22.4%,且隨沖擊波壓強(qiáng)的增大,衰減能力增強(qiáng),從而有效降低肺沖擊傷的發(fā)生率和嚴(yán)重程度。建立的人員防護(hù)效應(yīng)計算機(jī)仿真評估模型為新型防護(hù)材料用于人員肺沖擊傷的防護(hù)效能評估、防護(hù)后損傷程度預(yù)測提供了方法,具有重要的軍事和社會意義。
關(guān)鍵詞: 爆炸沖擊波;肺沖擊傷;聚脲防護(hù);超壓峰值
中圖分類號: O389 國標(biāo)學(xué)科代碼: 13035 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,由爆炸導(dǎo)致的人員傷亡占人員總傷亡的66.4%[1],肺臟作為含氣器官最易受累[2]。在天津8.12 特大爆炸事故中,肺沖擊傷發(fā)生率為9.3%[3],但被診斷有肺沖擊傷的傷員死亡率遠(yuǎn)高于無肺沖擊傷的爆炸傷傷員,因此,原發(fā)性肺沖擊傷被視為潛在的爆炸傷嚴(yán)重程度的標(biāo)志。沖擊波到達(dá)肺臟時誘發(fā)產(chǎn)生的應(yīng)力波導(dǎo)致肺泡破裂、撕裂、內(nèi)爆,是導(dǎo)致爆炸死亡的最主要因素[4]。因此,施以有效防護(hù)、減少肺臟對沖擊波能量的直接吸收是降低肺沖擊傷致死率的最明智的選擇[5]。
對肺沖擊傷防護(hù)的本質(zhì)是探尋有效措施以實現(xiàn)對沖擊波能量的轉(zhuǎn)換耗散。聚脲材料可以加速沖擊波的衰減、增強(qiáng)建筑構(gòu)件的抗爆性能[6-7],成為開發(fā)爆炸復(fù)合傷防具的理想選擇。然而,評估聚脲材料作為軀干防具的防護(hù)性能面臨諸多挑戰(zhàn)。在爆炸傷評估研究中,基于損傷相似性原則,肺沖擊傷研究通常選用肺對沖面積及肺沖擊傷閾值均與人相似的羊作為試驗對象[8-9]。但實爆試驗受彈藥來源的客觀限制,無法進(jìn)行大量重復(fù)實驗[10]。此外,動物活體力學(xué)測試也存在諸多局限性:首先,肺臟這類含氣組織不能埋置傳感器;其次,基于活體動物的力學(xué)測試均為有創(chuàng)測試,為保持試驗動物的存活和生理狀態(tài),只能在特定部位安裝有限數(shù)量的測試傳感器,難以獲知沖擊壓力的傳導(dǎo)和分布特點?;谟邢拊治龅臄?shù)值仿真模型,可以更準(zhǔn)確、全面地分析聚脲材料對沖擊波的衰減作用,以及肺臟在防護(hù)材料下對沖擊波的力學(xué)響應(yīng)特點[11],為后續(xù)聚脲材料在人員防護(hù)裝備中的應(yīng)用提供重要依據(jù)。
本研究基于山羊胸部CT (computed tomography) 圖像構(gòu)建山羊胸部聚脲防護(hù)有限元模型,利用流固耦合法構(gòu)建沖擊波加載試驗動物防護(hù)后效應(yīng)有限元計算模型,并通過現(xiàn)場實爆試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性驗證,將相應(yīng)的模式、參數(shù)加載到人員有限元模型上,獲得聚脲材料對人員肺沖擊傷的防護(hù)效應(yīng)有限元模型,確立不同工況下聚脲材料對人體的防護(hù)效能。
1 模型建立
首先基于實爆試驗結(jié)果建立山羊肺沖擊傷損傷模型,研究中使用Win10 操作系統(tǒng),硬件平臺為HPZ840,以cm-g-μs 單位制建立有限元分析模型,壓力單位為kPa。計算方式采用LS-DYNA 完全流固耦合算法,通過關(guān)鍵字(CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID)進(jìn)行控制,對計算區(qū)域進(jìn)行單元離散后利用顯式積分求解。
1.1 山羊胸部聚脲材料防護(hù)有限元模型建立
將山羊CT 掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 21 軟件,利用閾值分割法得到由心臟、肺、骨骼(胸骨、肋骨和脊椎)、表皮4 部分組成的山羊胸部有限元模型共468 424 個六面體單元。胸廓骨骼采用彈性材料模型,其中胸骨和肋骨參照Caruso 等[12] 的研究結(jié)果,脊柱參照Wang[13] 和Duck[14] 的測試數(shù)據(jù);臟器(心臟、肺臟)以及皮膚則采用Saraf 等[15] 通過改良的分離式霍普金森壓桿測得的黏彈性材料參數(shù)。應(yīng)力變量采用線性黏彈性假設(shè),如下式所示:
式中:σi j" 為偏應(yīng)力張量, ?為剪切松弛模量, τ為松弛時間, ˙εi j為應(yīng)變率。剪切松弛模量的表達(dá)式為:
?(t) = G1 +(G0 -G1) e-βt (2)
式中:G0 為短期剪切模量,G1 為長期剪切模量,β 為衰減常數(shù)。
在模型中,由彈性體積模量K 和體積V 計算壓力p:
p = K lnV (3)
屈服強(qiáng)度σy 按下式計算:
σy = σ0 + Eh-εp +(a1 + Pa2)max[P,"0] (4)
式中:σ0"為初始屈服應(yīng)力, Eh為塑性硬化模量, -εp為有效塑性應(yīng)變, a1 、a2 和 "P"為應(yīng)變率參數(shù)。
根據(jù)彈性模量 E 和切線模量 Et 可計算塑性硬化模量Eh :
Eh = EtE/(E - Et) (5)
此外,為了簡便運算,將除骨骼和內(nèi)臟以外的所有組織統(tǒng)一視為肌肉組織,并賦予其相應(yīng)的材料特性,詳見表1,表中ρ 為密度,μ 為泊松比。
在胸部軀干外添加防具模型模擬聚脲材料防具,為了最大限度保證防護(hù)材料與表皮的貼合,防護(hù)材料的幾何模型利用表皮的輪廓生成曲面,進(jìn)而在輪廓曲面上創(chuàng)建六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)量為20 898 個。聚脲材料有彈性和塑性變形行為,其材料模型采用LS-DYNA 軟件中MAT24模型[11, 16],具體參數(shù)見表2。MAT24 模型是分段線性塑性模型,用于描述具有應(yīng)變率效應(yīng)的材料,該模型可以采用Cowper-Symonds 理論,通過動態(tài)放大系數(shù)來考慮應(yīng)變率效應(yīng)。應(yīng)變率效應(yīng)公式[16] 如下:
σy = σy0(1+( ˙ε/C)D) (6)
式中:σy0 為靜態(tài)屈服強(qiáng)度, ˙ ε為應(yīng)變率,C 和D為Cowper-Symonds 模型的材料常數(shù)。
山羊穿戴防護(hù)材料有限元模型如圖1 所示,由防護(hù)材料模型和山羊胸部模型組成,防護(hù)材料與山羊胸部的接觸方式設(shè)置為單面自動接觸。
1.2 沖擊波加載與約束條件
山羊肺沖擊傷損傷模型由壓力施加域、空氣域和山羊胸部組成,通過直接施加壓力邊界條件的方式模擬沖擊波的加載過程。在有限元前處理軟件ICEM (integrated computer-aided engineering andmanufacturing) 中創(chuàng)建界面380 mm×500 mm、縱深420 mm 的立方體,共劃分79 800 個六面體實體單元作為空氣域,空氣域邊界為無反射邊界,模擬無限大區(qū)域,用空材料模型(MAT_NULL)以及線性多項式狀態(tài)方程(EOS_LINEAR_POLYNOMIAL)進(jìn)行描述,材料密度為1.293 kg/m3,動態(tài)黏性系數(shù)設(shè)置為零[17]。預(yù)設(shè)壓力-時間曲線對邊界施加壓力波,將有/無防護(hù)的山羊胸部有限元模型置于空氣域中,模擬曠場實爆試驗,沖擊波加載方向設(shè)置為胸部右側(cè)正對壓力源(圖2) ,施加壓力源壓力ps 為100、300、400、500 和700 kPa,壓力持續(xù)時間為1 ms。
1.3 模型有效性的驗證
在曠場實爆試驗中,8 kg TNT 當(dāng)量爆炸源固定在距地面1 m 高處,山羊右側(cè)朝向爆心,距離爆心4 m。測壓裝置采用圓盤狀動態(tài)應(yīng)力傳感器(量程為2 MPa,靈敏度為2.496 5~2.498 0 mV/kPa),固定在防護(hù)材料外側(cè),并在麻醉狀態(tài)下,對山羊胸部備皮、消毒、切開約2 cm 大小的切口,傳感器埋在動物皮下,結(jié)扎固定并縫合。傳感器檢測面均正對爆心,與沖擊波傳播方向垂直,山羊胸部材料內(nèi)外的2 個傳感器放置位置無空間重合(圖3),采集裝置為動態(tài)采集儀(江蘇東華公司 DH5960N),位于防爆屋內(nèi)。將數(shù)值模擬結(jié)果與實爆試驗進(jìn)行對比,8 kg TNT 當(dāng)量的爆炸源產(chǎn)生的沖擊波在4 m 處到達(dá)防護(hù)山羊胸部材料表面的超壓峰值為538.3 kPa,材料后為188.2 kPa,衰減了65.0%。在加載500 kPa 沖擊波超壓的工況下,無防護(hù)的胸部模型皮膚的超壓峰值為494.35 kPa,有防護(hù)模型的胸部有限元模型防護(hù)材料前、后的壓力峰值分別為540.35 和152.11 kPa,有防護(hù)相對于無防護(hù)沖擊波衰減了69.2%,有防護(hù)時,數(shù)值模擬模型與實爆試驗?zāi)P偷竭_(dá)山羊胸部材料表面的壓力誤差為0.38%,對沖擊波的衰減誤差為6.5%,在允許誤差范圍內(nèi)。
此外,爆炸沖擊波加載后,肺沖擊傷有限元模擬結(jié)果中,最大應(yīng)力集中在右肺,尤以右肺下葉邊緣最甚?,F(xiàn)場實爆試驗的大體解剖結(jié)果也顯示;無防護(hù)組山羊,右肺損傷重于左肺,以右肺下葉為重;防護(hù)組山羊,僅在右肺下葉邊緣出現(xiàn)稍許損傷(圖4)。無論是測壓數(shù)據(jù)還是生物損傷效應(yīng),仿真結(jié)果和實爆試驗都有較好的一致性,說明本次數(shù)值模擬中各種參數(shù)和工況條件的設(shè)定都相對合理,可將防護(hù)材料、工況設(shè)置加載到人員有限元模型進(jìn)行計算分析達(dá)到預(yù)測目的。
1.4 人體模型加載
用上述經(jīng)過驗證的沖擊波加載山羊胸部有限元模型的建模方法和算法,以陸軍軍醫(yī)大學(xué)“中國數(shù)字化可視化人體”連續(xù)斷層圖像為源數(shù)據(jù)[18],構(gòu)建中國成年男性人體胸部有限元模型,模擬不同工況下沖擊波對無防護(hù)、聚脲防護(hù)人體胸部的作用過程。人員胸部模型共劃分為220 390 個六面體網(wǎng)格實體單元,材料描述同表1,聚脲材料有限元模型同表2,設(shè)置為貼合人員胸廓的聚脲材料模型(圖5),將人員模型置于沖擊波加載空氣域模型中,胸部正對壓力施加域,分別加載壓力源為100、300、400、500 和700 kPa 等5 種工況,采用LS-DYNA 中的完全流固耦合法求解。以100 kPa 沖擊波加載過程為例(圖6),0.184 ms 時沖擊波開始穩(wěn)定向前傳播,0.364 ms 時到達(dá)胸部表面,0.424 ms 時產(chǎn)生圍繞胸壁的沖擊波,同時其他沖擊波繼續(xù)向前傳播,0.980 ms 時正向傳播的沖擊波完全脫離胸廓。
2 數(shù)值模擬結(jié)果分析
2.1 不同工況肺內(nèi)力學(xué)響應(yīng)分布
沖擊波壓力依次通過皮膚、軟組織、肋骨傳播至肺臟,受壓的肺臟與心臟胸壁發(fā)生碰撞,產(chǎn)生擠壓變形,從而形成應(yīng)力[19]。以100 kPa 工況下肺臟受沖擊波作用的應(yīng)力場分布為例,應(yīng)力云圖如圖7 所示。從圖7(a) 可以看出,無防護(hù)情況下:0.328 ms 時,肺葉表面由于心臟和胸骨擠壓出現(xiàn)應(yīng)力變化;0.440 ms 時,應(yīng)力由于組織間相互作用在肺中進(jìn)一步增強(qiáng);0.552 ms 時,由于背側(cè)胸廓作用,應(yīng)力傳播至肺背側(cè)面;0.640 ms 時,應(yīng)力繼續(xù)在雙肺肺尖傳播。從圖7(b) 可以看出,有防護(hù)情況下,由于防護(hù)材料的阻隔,沖擊波到達(dá)肺臟表面的時間延后,0.408 ms 時雙肺開始出現(xiàn)應(yīng)力變化,隨后0.556 ms 時應(yīng)力在雙肺均勻增強(qiáng),0.638 ms 時應(yīng)力傳播至雙肺背側(cè),0.720 ms 時應(yīng)力開始消散。與無防護(hù)相比,有防護(hù)的肺臟由于材料的防護(hù)作用,出現(xiàn)應(yīng)力變化晚,云圖呈現(xiàn)更均勻的應(yīng)力散布模式,整體應(yīng)力峰值較小。
為了對比不同工況下肺臟力學(xué)響應(yīng)分布,沿沖擊波傳播方向分別讀取右肺表面壓力(圖8)、皮下5 cm 處右肺矢狀面壓力(圖9),以及肺臟整體應(yīng)力(圖10)。由于沖擊波在穿過肺臟時會產(chǎn)生反射波、透射波和繞射波,因此力學(xué)響應(yīng)曲線會出現(xiàn)多個波峰。肺臟表面超壓峰值最大,波峰最多,在最大壓力峰值波峰前,有透射波產(chǎn)生的小波峰;隨著沖擊波的傳播,肺內(nèi)也逐漸出現(xiàn)力學(xué)響應(yīng),遠(yuǎn)小于右肺表面的超壓峰值,且在肺表面及肺皮下5 cm 處的肺矢狀面,在出現(xiàn)最大壓力峰值前后,均出現(xiàn)負(fù)壓,負(fù)壓是導(dǎo)致肺泡過度擴(kuò)張、造成嚴(yán)重肺損傷的主要因素[20]。在不同的沖擊波超壓下,肺不同部位的應(yīng)力峰值和峰值時間各不相同,因此肺臟整體峰值應(yīng)力曲線數(shù)值小于右肺表面和右肺矢狀面的超壓峰值曲線。沖擊波壓力越大,肺各部出現(xiàn)最大應(yīng)力峰值的時間越早,最大應(yīng)力峰值也越大。
有防護(hù)的肺臟力學(xué)響應(yīng)曲線較無防護(hù)肺臟力學(xué)響應(yīng)曲線更為延后,起伏緩和,壓力峰值更??;防護(hù)后的肺各部位壓力曲線負(fù)壓極值變大,減少了沖擊波負(fù)壓所致的肺過度擴(kuò)張。此外100~500 kPa 工況下,肺表面最大峰值前的小波峰衰減消失,提示材料耗散了最早穿過肺臟的透射波;300~500 kPa 工況下,隨沖擊波壓強(qiáng)ps 的增大,防護(hù)后超壓峰值衰減增多,肺內(nèi)應(yīng)力的衰減率也隨超壓增大而增大(表3)。
2.2 人體肺沖擊傷防護(hù)后效應(yīng)分析
分別分析不同工況防護(hù)前后以及無防護(hù)時皮膚超壓峰值、肺內(nèi)壓力/應(yīng)力變化以及胸骨最大線速度,從而評估聚脲材料對沖擊波的衰減規(guī)律及對人員沖擊傷的防護(hù)效應(yīng)。
在比較防護(hù)材料對沖擊波的衰減率時(表4),使用無防護(hù)皮膚超壓峰值或防護(hù)材料前超壓峰值計算所得結(jié)果無統(tǒng)計學(xué)差異。分析有防護(hù)時聚脲材料對不同超壓沖擊波的衰減規(guī)律,得到衰減率與沖擊波載荷正相關(guān)的線性函數(shù)(R2 = 0.894 3, p = 0.015 1)(圖11),即沖擊波載荷越大,材料對沖擊波的衰減能力越強(qiáng)。在沖擊波載荷大于肺損傷閾值時,與無防護(hù)相比,在聚脲防護(hù)作用下,到達(dá)皮膚表面的超壓峰值衰減58.8%,效應(yīng)量Cohen’s d > 0.8,說明聚脲材料對沖擊波有較強(qiáng)的衰減作用;到達(dá)肺表面超壓峰值衰減68.3%,肺內(nèi)壓力及峰值應(yīng)力均顯著降低(表3)。沖擊波造成肺損傷的閾值為84.75~101.72 kPa[17],因此當(dāng)沖擊波超壓小于200 kPa時,新型聚脲材料可將超壓峰值衰減至肺損傷閾值以下,有效防護(hù)人員免受肺沖擊傷;當(dāng)沖擊波超壓達(dá)到100% 致死載荷(483.39~677.73 kPa)[21]時,該材料仍能將超壓峰值衰減至非致命水平,保護(hù)人員免于傷亡,顯著提高傷員存活率。
通過胸骨表面最大線速度響應(yīng)曲線(圖12)判斷胸廓對肺臟的動壓作用,從而評估沖擊波對肺的損傷效應(yīng)。與肺力學(xué)響應(yīng)曲線相似,胸骨最大線速度出現(xiàn)時間和大小與沖擊波強(qiáng)度相關(guān),沖擊波越大,胸骨最大線速度峰值出現(xiàn)時間越早,數(shù)值越大。100~700 kPa 工況下,無防護(hù)時,胸骨最大線速度依次為0.73、1.94、2.60、2.94 和4.16 m/s;有防護(hù)時,相應(yīng)的胸骨最大線速度依次為0.39、1.39、2.00、2.68 和3.14 m/s,無防護(hù)時胸骨最大線速度約為有防護(hù)時的1.4 倍(圖13)。因此,防護(hù)后的胸骨運動速度較小,產(chǎn)生位移較小,對肺臟的動壓損傷更小。Axelsson 等[22] 用最大入射胸壁速度作為評估沖擊波肺損傷的預(yù)測指標(biāo),胸壁最大運動速度為3~4.5 m/s 是肺損傷的閾值,聚脲材料可將持續(xù)時間短的沖擊波導(dǎo)致的胸骨最大運動速度降低約22.4%,將致死載荷沖擊波所致的胸壁運動速度降低至肺損傷閾值以下。
3 結(jié) 論
本研究在前期實爆試驗的基礎(chǔ)上,基于山羊CT 掃描圖像,建立了山羊胸部有限元模型,并在山羊胸外添加防護(hù)材料模型模擬穿戴聚脲防護(hù)材料的情況,利用LS-DYNA 有限元程序中的流固耦合方法模擬了沖擊波對山羊胸部的直接損傷過程,構(gòu)建了試驗動物沖擊波防護(hù)后效應(yīng)有限元計算模型,利用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對有限元模型和數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行了驗證和優(yōu)化。當(dāng)山羊有限元分析結(jié)果與現(xiàn)場實爆試驗結(jié)果的誤差低于10% 時,認(rèn)為該模型參數(shù)、工況條件設(shè)置合理,繼而將相應(yīng)的模式、參數(shù)和工況加載到人員有限元模型上,獲得了聚脲材料對人員肺沖擊傷的防護(hù)效應(yīng)有限元計算模型,為新型防護(hù)材料用于人員肺沖擊傷的防護(hù)效能評估、防護(hù)后損傷程度預(yù)測提供了模型和方法,得到的主要結(jié)論如下。
(1) 右肺朝向爆心時,沖擊波肺損傷應(yīng)力主要集中在右肺下葉,下葉邊緣為甚。
(2) 防護(hù)模型肺臟整體損傷應(yīng)力較小,肺負(fù)壓極值增大,負(fù)壓所致肺過牽減弱。
(3) 在100~700 kPa 工況下,聚脲材料能夠有效衰減到達(dá)皮膚和肺臟表面的超壓峰值,且衰減能力隨沖擊波壓強(qiáng)的增大而增強(qiáng)。與無防護(hù)相比,在有防護(hù)的情況下,皮膚表面的超壓峰值衰減約58.8%,沖擊波上升時間延遲0.2~0.3 ms,肺表面的超壓峰值衰減約68.3%。在沖擊波載荷達(dá)到致肺損傷閾值時,聚脲材料可以防護(hù)人員免于肺沖擊傷的發(fā)生;更重要的是,沖擊波超壓達(dá)到100% 致死載荷時,該材料仍能保護(hù)人員免于傷亡,顯著提高傷員的存活率。
(4) 胸骨最大線速度與沖擊波強(qiáng)度正相關(guān),與無防護(hù)相比,防護(hù)作用下胸骨最大線速度降低約22.4%。防護(hù)后的胸骨運動速度降低,位移減小,減輕了沖擊波動壓對肺臟的損傷。聚脲材料可將致死載荷沖擊波所致的胸壁運動速度降低至肺損傷閾值以下。
綜上所述,本研究突破彈藥來源、爆炸當(dāng)量、生物活體力學(xué)測試的局限,通過數(shù)值模擬系統(tǒng)評估了聚脲材料在爆炸沖擊波作用下的防護(hù)效能,發(fā)現(xiàn)聚脲材料能夠顯著衰減沖擊波壓力,降低肺部應(yīng)力和壓力峰值,降低胸骨最大線速度,從而有效降低肺沖擊傷的發(fā)生率和嚴(yán)重程度。此外,本研究建立的計算機(jī)仿真評估模型可為新型防護(hù)材料、防護(hù)裝具的研發(fā)和應(yīng)用提供技術(shù)支撐,為新型防護(hù)材料用于人員肺沖擊傷的防護(hù)效能評估、防護(hù)后損傷程度預(yù)測提供方法,具有重要的軍事和社會意義。然而,研究中還存在一些局限性。首先,本研究主要關(guān)注的是正壓持續(xù)時間較短的沖擊波作用下防護(hù)材料對人體的防護(hù)情況,對于正壓持續(xù)時間較長的大規(guī)模爆炸沖擊波以及多次復(fù)雜沖擊波對人體的損傷情況,數(shù)值模擬中涉及的模型假設(shè)和簡化可能無法進(jìn)行全面預(yù)測。其次,受技術(shù)限制,研究中不能充分考慮沖擊波加載后的長期動態(tài)響應(yīng)和可能的二次傷害效應(yīng),這也是今后進(jìn)行防護(hù)材料評估數(shù)值模擬研究的重點和難點。
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(責(zé)任編輯 張凌云)
基金項目: 國家重點研發(fā)計劃(2020-JCJQ-ZD-254-05);后勤科研重點項目(BLJ23J006);陸軍特色醫(yī)學(xué)中心人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)計劃(ZXYZZKY03)