爆炸冲击波作用下胸壁动态响应与肺部损伤的关系

徐 成，巨圆圆，胡 明，龙仁荣，阮狄克

局部战争、恐怖袭击和工业生产爆炸事故时有发生，冲击波对人体造成的创伤受到国内外学者的广泛关注[1-3]。爆炸冲击波作用下，肺部最易受到损伤[4]。本研究通过开展兔冲击伤实验和数值模拟，获得不同爆炸冲击波作用下兔肺部损伤伤情和胸壁变形速度，建立胸壁变形速度与肺部损伤度之间的函数关系。

1 研究方法

1.1 实验对象与方法 开展不同爆炸冲击波作用下兔肺部损伤实验，获得不同爆炸距离处兔肺部损伤伤情。实验采用长径比1∶1的柱形TNT装药，装药量为90 g。炸药采用电雷管起爆，利用自由场压力传感器对冲击波信号进行测量，并利用数字示波器记录数据。选取12只健康新西兰大白兔[北京科宇动物养殖中心提供，实验动物许可证编号SCXK(京)2017-0002号)]，体质量(2.0～2.5)kg，距炸药中心距离为R1=0.50 m、R2=0.60 m、R3=0.70 m、R4=0.90 m、R5=1.00 m、R6=1.20 m处分别布置2只兔和压力传感器，实验动物采用麻醉镇静，呈直立体位，面向爆源，炸药离地面高度不低于1.0 m，炸药和兔胸部位于同一水平面。爆炸后，对当场死亡的兔立即解剖，其他兔观察24 h后处死，进行解剖，观察肺部损伤情况，记录肺部损伤面积按照柯文琪等[5]采用的评定方法进行伤情评定，作为实验动物损伤情况的判定标准，进而分析冲击波作用下兔肺部损伤伤情。

1.2 数值模拟 对兔进行CT扫描，获得DICOM格式的原始数据，利用MIMICS和3-MATIC反向建模软件，重构兔胸部几何模型，并利用HYPERMESH有限元前处理软件划分网格，建立兔胸部有限元计算模型。利用ANSYS/AUTODYN有限元分析软件对实验工况进行数值模拟，获得爆炸冲击波作用下兔胸壁的变形速度。长径比1∶1的柱形装药爆炸产生的空气冲击波与兔胸部相互作用之前，近似以球对称形式向四周传播。因此，可以通过两步模拟冲击波对兔胸部的致伤效应。第一步利用一维计算模型模拟冲击波形成；第二步将一维计算结果作为初始条件，模拟冲击波对兔胸部的损伤效应。图1为空气冲击波致兔胸部损伤的有限元计算模型。采用Euler-Lagrange流固耦合算法模拟冲击波与兔胸部的相互作用，空气域采用无反射边界条件以避免冲击波在边界的反射，空气采用理想气体状态方程，炸药爆轰产物采用JWL状态方程，兔胸部肌肉、心脏、肺脏采用线粘弹性本构模型，骨骼采用弹性本构模型，胸部主要材料参数见表1所示。

图1 空气冲击波致兔胸部损伤有限元模型

E/GPaνG0/kPaG∞/kPaK/GPaβρ/g·cm-3肌肉--2001952.90.11.20肺脏--67650.7440.10.60心脏--67650.7440.11.00椎骨0.3550.26----1.33肋骨9.50.20----1.08胸骨9.50.25----1.25肩胛9.50.20----1.08

2 结果

2.1 肺部损伤伤情 0.5、0.6 m处实验动物当场死亡，肺部出现弥漫性出血；0.7 m处的实验动物，肺部出现片状出血，属中度损伤；0.9、1.0m处实验动物，肺部有点状出血，属轻度损伤；1.2 m处实验动物，肺部有少量点状出血，属于轻度损伤。图2为利用自由场压力传感器测量的冲击波峰值超压随爆炸距离的变化曲线。可以看出，冲击波峰值超压随着爆炸距离的增加迅速减小，0.5 m处的峰值超压达到0.79 MPa，1.2 m处的峰值超压为0.1 MPa，不同爆炸距离处，兔呈现死亡、中度损伤、轻度损伤3种不同伤情，随着爆炸距离的增加，兔肺部损伤程度越来越轻。

图2 冲击波峰值超压随爆炸距离的变化曲线

2.2 胸壁变形速度 图3为爆炸距离为0.5 m时，不同时刻胸壁变形速度云图。t=0.265 ms时，胸壁受到肌肉中传播的应力波的压缩作用发生快速变形；随着应力波在胸壁中传播，胸壁变形逐渐增大，t=0.292 ms时，胸壁变形速度达到最大值2.3 m/s；随后胸壁的变形速度出现周期性波动，但始终处于压缩变形状态。胸壁周期性变形压缩肺组织，从而对肺部造成损伤。

图4为不同爆炸距离处胸壁变形速度历史曲线，可以看出，随着爆炸距离的增大，胸壁变形速度逐渐减小，受到冲击波作用后，胸壁首先快速压缩，随后出现周期性波动；各爆炸距离处，胸壁变形速度峰值分别为2.10、1.46、1.10、0.64、0.51、0.35 m/s。

2.3 胸壁变形速度与肺部损伤度的关系 定义肺部损伤度为某一爆炸距离处肺部损伤面积与最大死亡距离处肺部损伤面积的比值。通过量纲分析理论可以建立肺部损伤度与爆炸距离R之间的关系为=(R/0.6)-5.64，进而可以获得不同胸壁变形速度V所对应的肺部损伤度。通过对0.6、0.7、1.0、1.2 m处胸壁变形速度的数值模拟结果及相应的肺部损伤度进行拟合，获得肺部损伤度与胸壁变形速度之间的函数关系：=aVb(a、b为拟合常数，a=0.3192，b=3.0119，Adj. R-Square=0.9993)，图5为肺部损伤度随胸壁变形速度的变化曲线。

图4 不同爆炸距离处胸壁变形速度历史曲线

图5 肺部损伤度随胸壁变形速度的变化曲线

3 讨论

爆炸冲击波对含气组织器官的损伤最为严重，特别是肺脏，损伤率最高、损伤程度也最重[6-8]。因此，爆炸冲击波致肺部损伤受到国内外学者广泛研究。Clemedson等[9-12]通过研究表明，爆炸冲击波与人体相互作用引发多器官损伤，含气器官最易受到创伤，肺水肿、肺出血及动脉气栓是造成人员死亡的主要因素，冲击波超压、作用时间及波形共同决定了创伤效应。徐立和金海[13]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。Axelsson和Yelverton[14]建立人体胸部一维动力学模型，将冲击波的测量结果作为输入参数，得到胸壁的速度响应，给出爆炸冲击波创伤效应与胸壁速度峰值之间的关系。Stuhmiller等[15]对Axelsson和Yelverton提出的模型和计算方法进行改进，以肺组织吸收的能量为创伤参数，得到肺组织的定量创伤关系，计算结果和实验数据完全符合。van der Voort等[16]针对冲击波正压持续时间不同，提出了作用于空气自由场人体载荷的计算方法，建立了一种预测爆炸伤伤情的工程化模型。本研究利用实验和数值模拟相结合的方法，获得不同冲击波作用下兔肺部损伤度和胸壁变形速度，建立肺部损伤度与胸壁变形速度之间的关系。

利用数值模拟方法对爆炸冲击波作用下胸部动态响应进行研究越来越受到国内外学者的重视。Greer[17]和Thom[18]采用有限元程序分析不同爆炸环境中人体胸部在冲击波作用下的肺组织动力学响应过程，研究结果表明，在爆炸冲击波与人体胸部的相互作用下，各器官会产生不同的运动速度，由此产生的剪切应力容易造成肋骨与肺部界面、心脏与肺部界面的创伤。周杰等[19]根据人体胸部各个器官的不同，选择合理的材料模型和参数，建立简化的人体胸部三维有限元模型，利用局部平面波加载方法模拟爆炸冲击波与人体胸部相互作用，依据人体胸部各个器官运动的速度差，预测创伤的区域分布。本研究利用有限元分析软件AUTODYN对不同冲击波作用下兔胸壁动态响应进行数值模拟。AUTODYN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，在爆炸毁伤模拟方面具有精度高和计算效率快的特点[20]。从图2可以看出，当爆炸距离为0.5 m时，冲击波峰值超压数值模拟结果比实验结果偏小，这是因为实验中利用雷管起爆炸药，对爆炸距离较近处的冲击波具有增强效应。总体来看，冲击波峰值超压的数值模拟结果和实验结果基本一致，表明数值模拟具有可靠性。

90 g TNT炸药爆炸条件下，0.5、0.6 m处的兔当场死亡，0.7 m处的兔肺部出现片状出血，损伤程度较高，0.9、1.0、1.2 m处的兔肺部只有非常轻微的损伤。Axelsson和Yelverton[14]通过建立冲击波载荷下胸部动态响应的数学模型可以计算胸壁位移、速度、加速度和胸内压力。ASII创伤评分、动物损伤和胸壁最大变形速度之间具有很好的相关性[21]。将实验测试得到的冲击波压力时程曲线应用到数学模型中，计算出胸壁最大变形速度V，然后利用方程ASII=0.175·V1.205就可计算出ASII创伤评分，从而对冲击波造成的人体损伤进行评估。本研究基于实验和数值模拟结果，建立肺部损伤度与胸壁变形速度之间的函数关系为φ=0.3192V3.0119。该方法不需要通过数学模型求解冲击波载荷下胸部的动态响应，只要根据数值模拟结果获得胸壁最大变形速度，就可以获得肺部损伤度。

综上所述，本研究通过实验和数值模拟研究，获得了90 g TNT炸药爆炸条件下不同爆炸距离处兔的肺部伤情以及胸壁变形速度，通过数据拟合，获得了兔胸壁变形速度与肺部损伤度之间的函数关系φ=0.3192·V3.0119，结果表明胸壁变形速度能够预测爆炸冲击波作用下肺部损伤伤情。