用于爆炸防护分析的人体胸部有限元模型研究

摘要

枪弹伤是战场中的士兵所面临的主要威胁，防弹衣的使用可以有效的减少枪弹造成的贯穿性损伤。尽管子弹被阻挡不能穿透人体组织，但相当多的能量通过防弹衣传递到人体造成伤害。这一现象被称为“rear effect背面效应”或“BABT(Behind ArmourBlunt Trauma)装甲后钝伤”，主要包括肺和心脏挫伤、肋骨骨折。各种爆炸物在爆炸后产生的高速冲击波到达人体时会产生猛烈的加速度，对人体特别是空腔脏器产生伤害。利用有限元模型可以模拟各种实验方法，计算不同载荷和冲击条件下人体胸部的生物力学响应，提供各组织间和组织内的应力—应变和位移、速度、加速度—时间曲线，有助于研究BABT的致伤机制，胸腔对冲击波作用的力学响应和组织损伤的关系，为BABT和爆炸伤的防护提供定量分析和预测，进而为防弹衣/防护服的设计研究提供帮助。 本研究依据CT扫描图像和“中国可视化人体”彩色切片数据，使用相关专业软件构建人体胸部三维有限元模型，并使用既往尸体实验数据和动物实验数据对有限元模型在模拟非穿透性弹道冲击条件下进行了有效性检验。主要研究工作包括：以CT扫描图像和“可视化人体”彩色切片数据为重建源图像，使用数字图像处理技术和专业医学图像处理软件MIMICS完成了图像处理分割、目标区域提取、三维模型的计算及优化。获得了包括内部主要脏器和骨组织的人体胸部三维表面模型。使用ANSYS ICEMCFD软件将三维表面模型划分为四面体单元网格，并转换为六面体单元。将有限元网格导入ANSYS LS-DYNA程序构建出人体胸部三维有限元模型。为检验所建有限元模型的有效性，在ANSYS LS-DYNA中模拟Bir等的尸体试验条件进行计算，使用30g和140g的PVC棒分别以60m/s和20m/s、40m/s的速度冲击尸体胸骨正中，分析比较了模拟计算结果和实验结果，将模拟计算得出的力—时间曲线和胸部变形—时间曲线与试验数据进行对照。为进一步检验模型材料参数，使用生物撞击机撞击动物，撞击头质量360g，撞击速度7．5m/s～12．7m/s。同时建立动物胸部简化模型，模拟动物实验条件进行计算，并比较了实验结果与计算结果。 主要结果与结论： 1．依据彩色断层照片和CT扫描图像重建了具有近似解剖结构的人体胸部三维模型。 2．构建了ANSYS LS-DYNA环境下的人体胸部有限元模型，模型包括肌肉、骨骼和胸部主要脏器，各部分均由八节点六面体单元组成，共划分单元475560个，节点数530949。胸骨、肋骨等骨性组织定义为线弹性模型，内脏和肌肉组织定义为粘弹性模型，各组织与器官材料特性参数参考相关文献确定。 3．对于形状复杂的模型，直接划分为六面体单元很困难。采用网格转换的方法得到的六面体网格虽然质量和计算精度稍低，但远好于退化单元，且实现起来比较简单，能够大大减少建模时间，在复杂有限元模型建模时使用是可行的。 4．构建的有限元模型在冲击质量140g，冲击速度20m/s和40m/s条件下，其计算结果与尸体实验结果一致性较好，表明模型在该冲击条件下的有效性。但在冲击质量为30g，冲击速度60m/s的条件下，其计算结果与尸体实验结果存在差异，模型在该实验条件下的材料参数还需进一步研究。 5．使用和人体胸部模型相同的材料参数建立动物简化模型，并模拟动物实验条件进行计算，计算结果和实验结果比较吻合，模型基本上能够反映动物胸部受冲击时的加载和变形情况，模型材料参数应是有效的。

目录

文摘

英文文摘

声明

前言

第一部分重建人体胸部三维表面模型

一、材料与方法

二、结 果

三、讨 论

四、结 论

第二部分构建人体胸部三维有限元模型

一、材料与方法

二、结 果

三、讨 论

四、结 论

第三部分使用既往尸体实验数据验证有限元模型有效性

一、材料与方法

二、结 果

三、讨 论

四、结 论

第四部分使用动物实验数据检验有限元模型材料参数

一、材料与方法

二、结 果

三、讨 论

四、结 论

致 谢

参考文献

文献综述:人体胸部有限元模型及其在防护工程研究中的应用

硕士期间参加的学术会议及发表的论文