爆炸冲击波对人体胸部创伤机理的有限元方法研究

通过建立简化的人体胸部三维有限元模型,模拟爆炸冲击波与人体胸部作用,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,提出LS-DYNA有限元程序局部平面波改进方法,研究爆炸冲击波 与人体胸部作用的力学过程。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;给出肺模型的压、 拉应力及剪切应力的变化规律,分析肺的创伤区域的分布,与解剖实验结果基本一致。对比Bowen创伤曲 线,证明人体胸部三维有限元模型可以有效得到冲击波创伤特征。     

爆炸冲击波作用下人体肺部的损伤

为探究肺部爆炸伤的致伤机制与评价指标,构建了人体-爆炸流场有限元模型,通过与爆炸事故中人员损伤情况比对,验证了模型的有效性。共进行39个爆炸工况的数值模拟,通过改变爆炸当量与距离,使得胸部受到不同量级爆炸载荷作用,肺部损伤等级从无损伤到严重损伤。通过分析爆炸流场分布、胸腔动力学响应、肺部应力分布等阐明肺部爆炸伤的力学机制。基于人体有限元模型输出的损伤响应,提出肺部爆炸伤的评价指标。研究结果表明:在爆炸载荷作用下,胸前壁高速撞击胸腔脏器,导致肺部产生应力波。随后在惯性作用下,胸前壁持续挤压胸腔脏器,并造成胸腔变形。应力波是造成肺部损伤的主要原因,胸腔变形挤压肺部造成的损伤风险较低。肺部损伤集中在靠近胸前壁及心脏的区域。胸骨速度峰值和胸骨加速度峰值可作为肺部爆炸伤的评价指标。胸部压缩量及黏性响应系数不能反映应力波对肺部造成的损伤,不适合评价肺部爆炸伤。     

不同程度冲击波对兔生理系统的损伤效应

利用由轻气炮装置改装而成的生物激波管,开展不同冲击波超压值下兔的损伤效应研究。通过对 兔的多种生理特征和器官(如肺、肾脏等)的变化情况进行检测,综合分析了生物体生理系统对冲击波响应及 其损伤后的自身调节作用。建立了损伤肺湿干比与超压间的定量关系,发现了血压随冲击波增加而降低的现 象。除肺外,冲击波对生物体其他脏器同样存在显著影响。     

基于正面碰撞实验的胸部损伤有限元分析

安全带的逐步使用极大地提高了车内乘员的安全性,但最近的交通事故研究表明,在正面碰撞工况下,乘员胸部损伤的防护效率还需要进一步提升.利用已验证生物逼真度的人体有限元模型和PMHS(post mortem human subjects)实验结果,建立配有安全带的乘员有限元分析模型,研究在不同碰撞工况下安全带定位设计参数对胸部变形量和肋骨应力应变响应等损伤相关物理参数的影响,并提出在安全设计中为改进防护效率,有效减少胸部损伤风险的一种虚拟试验方法.参考PMHS实验,基于全球人体有限元模型建立了一个基准佩带有限元人体模型,结合实验中测试的运动学响应、安全带的拉伸力和胸部变形量指标验证其生物逼真度.通过参数分析研究正面碰撞中安全带高度位置、安全带角度和碰撞速度对乘员胸部损伤的影响.结果表明胸廓应力应变分布及胸部变形量对安全带的高度位置更加敏感,基于安全带设计参数变化预测的胸部变形量宏观指标和应力应变的微观指标的变化趋势一致.对乘员安全带相关的胸部损伤研究提供虚拟设计分析方法,相关胸部损伤机理的研究结果可为今后约束系统的优化设计提供参考.     

混凝土分段曲线损伤模型

在对比分析国内外现有的混凝土受拉损伤模型基础上，结合素混凝土受拉应力应变曲线的试验结果，提出了一个新的混凝土分段曲线损伤模型，并利用应力连续条件确定了损伤模型中各系数的值。运用该模型到力学分析中，推导了矩形截面的混凝土梁在纯弯矩作用下，在损伤较小和损伤较大时的力学方程，算出了梁的最大承载能力，并与材料力学计算的梁承载能力进行了对比。详细分析了损伤区域及损伤应力在横截面上的变化过程，确定了极限状态下含损伤混凝土梁的应力分布和相应的承载能力，画出了损伤状态梁截面的应力分布图。     

随机振动结构Von Mises应力过程峰值概率密度函数的研究

随机振动载荷作用下结构的多轴疲劳分析非常复杂,利用Von Mises应力准则将多轴应力转换为单轴应力是一条简单而有效的途径。在频域利用Von Mises应力对结构进行多轴疲劳分析的前提是必须获得Von Mises应力过程中应力循环的概率密度函数。本文利用平稳随机过程的穿越分析和极值的概率分析,给出了计算Von Mises应力过程峰值概率密度函数的公式,为进一步进行疲劳损伤及寿命分析打下了基础。     

一种冲击波作用下结构毁伤算法研究

针对爆炸冲击波与建筑物结构相互作用过程,分析了冲击波与结构碎块作用机理,发展了一种能够模拟建筑物结构破坏及冲击波传播过程的计算模型和方法。采用建筑物结构工程毁伤载荷作为判据,处理结构在冲击波作用下的破坏问题;利用流固耦合界面算法处理结构运动引起的泄压效应,利用“虚拟网格通气技术”处理结构碎块对冲击波的阻碍作用,模拟了冲击波作用下典型建筑物的毁伤过程及冲击波传播过程。结果表明,该模型在模拟冲击波与结构的作用过程中,压力计算结果与非结构动网格模拟结果符合较好;在典型建筑物毁伤过程的数值模拟中,计算得到的建筑物毁伤效果和冲击波超压分布与建筑物物理毁伤特点符合。     

APS—RS型高速相机在气相爆轰实验中的应用研究

基于气相燃烧转爆轰机理研究,探索利用APX-RS型高速数字相机测量氢氧混合气体在电火花点火后的火焰和前驱冲击波的变化历程,获得火焰加速以及冲击波的产生与成长过程的高速摄影图像;计算了不同位置的前驱冲击波参数和气体状态参数;分析了燃烧转爆轰机制。结果表明：APX—RS型高速相机可以成功地拍摄气相燃烧转爆轰过程,并获得氢氧混合气体燃烧转爆轰为局部爆炸机制。     

强爆炸冲击波作用下天线结构的离散变量优化设计

首先建立了强爆炸冲击波作用下天线结构受精度和应力约束的连续变量优化设计数学模型 ;其次 ,根据材料特点 ,将设计变量取为离散变量 ,提出了天线结构在强爆炸冲击波作用下受精度和应力约束的离散变量优化设计数学模型。采用离散变量优化算法离散复合形法 ,对强爆炸冲击波作用下的 8m天线进行了优化计算。结果表明 ,经优化设计后 ,天线重量仅为初始重量的 4 0 %。     

水中冲击波与弹性薄板耦合作用的研究

对水中冲击波与弹性薄板的流固耦合作用进行了研究,建立了实验装置。利用全息干涉法定量测量了水中动态流场,并测出受水中冲击波作用的弹性薄板在不同时刻的变形,得出相应的全息干涉条纹图。同时利用有限元法对水中冲击波与弹性薄板的流固耦合问题进行了数值计算。研究结果表明,用实验方法能够较好地模拟水中冲击波与弹性结构的耦合作用,用有限元法计算水中冲击波传播问题是可行的。     

爆炸冲击波作用下颅脑损伤机理的数值模拟研究

爆炸引起的颅脑损伤已经成为现代战场单兵的主要致伤形式，而相关的致伤机理尚未完全阐明。本文中，针对头部在爆炸冲击波作用下的动态响应及相关致伤机理进行了数值模拟研究。首先，基于颅脑的核磁共振切片建立了人体头部三维数值模型，该模型真实地反映了颅脑的生理特征与细节构造；利用该模型对人体头部碰撞实验进行数值模拟，模拟结果与实验结果吻合良好，验证了头部模型的有效性。在此基础上，基于欧拉-拉格朗日耦合(Euler-Lagrangian coupling method，CEL)方法发展了爆炸冲击波-头部流固耦合模型，对头部受到爆炸冲击波正面冲击工况进行了数值模拟，分别从流场压力分布、脑组织压力、颅骨变形与加速度等方面对头部动态响应过程进行了分析。爆炸冲击波峰值压力在流固耦合作用下增大为入射波的3.5倍，致使受到直接冲击处的颅骨与脑组织发生高频振动，相应的振动频率高达8 kHz，这与碰撞载荷下的脑组织动态响应是完全不同的。同时，该处颅骨的局部弯曲变形会沿着颅骨进行“传播”，影响着整个颅骨的变化构型，从而决定了脑组织压力与损伤的演化过程。     

聚脲加固砖填充墙抗爆性能的试验和分析方法研究

为了掌握聚脲喷涂加固砖填充墙的抗爆特性,基于一种改进的大型爆炸试验装置,开展了聚脲加固框架砖填充墙的原型爆炸试验,分析了爆炸荷载作用下加固砖墙的动力响应特征和破坏过程及模式,揭示了其失效破坏机理。研究结果表明,聚脲加固可大幅提升填充墙构件的抗爆性能,显著增加填充墙构件的变形延性;加固砖墙受爆炸荷载作用发生振动的过程其体系刚度不断变化,最高相差133%;随着比例距离降低,加固砖墙的破坏模式逐渐由弯曲破坏转为剪切破坏,聚脲厚度超过6 mm可以有效限制局部剪切破坏现象;基于砖墙和聚脲涂层的抗力函数建立的理论计算模型,可以较为准确地预测爆炸作用下背爆面加固双向砖墙的正向位移响应过程。     

爆炸冲击震动对砖墙破坏作用的数值模拟

砖墙在爆炸冲击震动作用下的动力反应非常复杂,本构关系很难精确建立。本文阐述了砖墙几种常用的有限元模拟方法,分析各种方法的优缺点,确定采用一种砖块和砂浆分开的精细化建模的三维砖墙有限元模型;通过LS-DYNA软件,得到砖墙在水平爆炸冲击震动荷载下的破坏过程,计算结果与实验现象很好。研究表明:该种分析模型综合考虑了砖块和砂浆之间复杂的相互作用,并且对砂浆层进行了单独建模,保证了砖墙在数值模拟上的真实性和正确性,因此可以准确地模拟出实验中砖块之间砂浆层的损伤积累破坏。     

基于地震波触发的战斗部动爆冲击波试验研究

提出了一种基于地震波触发的战斗部爆炸冲击波超压测试方法,该测试方法能可靠获取战斗部动爆冲击波超压峰值。采用提出的测试方法对着靶速度为0、535和980 m/s的战斗部空中爆炸冲击波分别进行了测试,并对战斗部动爆冲击波超压峰值测试结果和经验公式计算值进行了对比,定量分析了战斗部速度对冲击波压力场分布的影响。最后,在实测数据的基础上采用薄板样条插值方法重建了战斗部动爆冲击波超压三维可视化模型,为实战复杂环境下基于实测数据研究动爆冲击波特性提供了依据。     

激波致伤的流体力学模型

本文从激波和人体组织相互作用的流体力学现象出发,提出和分析了激波致伤的四个流体动力学模型,即激波与不同密度的物质相互作用模型、气泡坍缩模型。激波作用下组织的表面形成射流模型和激波加速人体形成界面不稳定性模型。这几种模型是在激波和人体器官相互作用的复杂过程中引起原发性冲击伤的重要机制。     

建筑玻璃的爆炸动力响应及防爆距离

玻璃作为一种透明或半透明材料,广泛应用于现代建筑工程中,但其在爆炸冲击荷载作用下易于破碎,产生飞片伤人。文章应用弹性薄板振动理论,研究框支承玻璃在爆炸冲击荷载下的动力响应,得到玻璃的最大挠度与最大应力计算公式。基于爆炸冲击波传播特性和玻璃强度理论,提出了建筑玻璃爆炸冲击破坏准则,对不同类型和厚度的框支承玻璃在爆炸冲击波...     

爆炸荷载作用下饱和半空间中衬砌隧道弹性动力响应IBIEM模拟

基于Biot两相介质理论,采用一种高精度间接边界积分方程法（IBIEM）研究了饱和半空间中浅埋衬砌隧道在内部爆炸荷载作用下的瞬态弹性动力反应。通过典型算例,给出了爆炸荷载作用下隧道附近地表位移、衬砌动应力、围岩径向位移和衬砌表面孔隙水压的时程响应,并对比分析了饱和半空间和全空间中隧道动力响应的区别。研究表明：覆土层厚度对浅埋隧道-围岩整体动力响应特征具有明显影响;衬砌表面透水状态对爆炸荷载的时程响应的影响不显著;随半空间饱和介质孔隙率增加,围岩受隧道内部爆炸影响程度降低,衬砌承担的爆炸作用增大;当和直达波、衬砌内部反射波的峰值叠加作用时,半空间表面反射波对衬砌隧道拱顶附近响应影响显著,使得衬砌动应力幅值、径向位移相比深埋情况大幅度增加。     

基于Starfield迭加法的条形药包爆炸应力场分析

在分析条形药包的现有理论研究方法与实验成果的基础上,认为爆轰波沿装药方向传播的时间效应是影响条形药包爆炸应力场特征的主要因素。综合Starfield迭加法与动力有限元法,提出了基于Starfield迭加原理的条形药包爆炸应力场数值分析模型,全面分析了不同起爆方式下条形药包爆炸应力场发展及形成规律,结论对实际工程具有一定指导意义。     

中心引爆破片战斗部产生的近区空气爆炸波的计算

本文提出一种计算中心起爆有限装药尺寸破片战斗部产生的近区空气爆炸波超压的近似方法。战斗部壳体碎片除受爆轰产物的推力及空气反压外,还考虑了碎片形状等因素引起的形阻修正。适当选取形阻修正系数及修正项引入时刻,计算数据与数十公斤装药战斗部近区实验结果十分接近。本文结果表明,爆破战斗部近区空气爆炸波的计算不能采用强爆炸波理论,应当考虑飞片驱动冲击波的模型。