爆炸冲击波对肺损伤的数值模拟

采用数值模拟方法,分析了人体胸部在自由空间爆炸场中受冲击波作用的力学过程。利用Mimics 软件对CT图像进行处理,建立人体胸部三维模型。根据人体胸部各生物组织的特性,选择合理的材料模 型和参数,并利用LS-DYNA有限元程序中流固耦合方法,计算分析冲击波作用于人体胸部肺的受力过程。 通过计算获得冲击波入射超压峰值和正压持续时间,参照Bowen损伤曲线评估出肺处于Dc 与D1损伤状态 之间。观察肺部应力变化过程,获得肺部表面的正应力变化规律和损伤最严重的区域。分析剪切应力变化规 律,了解肺受切应力作用损伤的可能性。     

汽车侧面和斜碰撞中人体胸部损伤响应数值分析

车辆侧面和斜碰撞在导致乘员严重损伤的交通事故中占有相当大的比例, 但与正面碰撞事故研究相比仍缺少对车内乘员在侧面和斜碰撞中的胸部损伤生物力学的深入研究. 因此本文采用数值模型来分析这两种碰撞载荷下的人体胸部生物力学响应以及损伤相关的物理参数. 首先, 将自主开发验证的胸部、头颈部和下肢有限元模型相结合, 建立了一个完整的人体坐姿有限元模型;然后, 采用该坐姿模型模拟了文献中的7例尸体胸部侧面碰撞和斜碰撞实验;仿真计算获得的碰撞力、胸部变形量和力-变形等损伤相关的响应曲线都在对应的生物力学实验曲线走廊范围内;仿真与实验结果对比表明了坐姿模型的有效性;从仿真结果发现碰撞力峰值较接近于实验结果的较大值, 而变形量趋向于实验结果的较小值;同时, 侧面碰撞条件下所得到的碰撞力峰值比斜碰撞中稍大, 峰值出现的时刻较早;而侧面碰撞中胸部变形量峰值比斜碰撞中较小, 出现的时刻同样较早, 这与实验结果所呈现的趋势一致. 分析说明在相同载荷强度下侧面碰撞胸部耐受限度高于斜碰撞时的耐受限度. 该胸部有限元模型可较准确地再现侧面碰撞和斜碰撞生物力学实验中的胸部响应过程, 具有较好的生物逼真度, 可进一步用于侧面碰撞和斜碰撞中乘员胸部损伤生物力学研究.      

柱状装药爆炸条件下厚壁圆筒爆室内 流场及结构动力响应分析

借助非线性动力有限元程序ANSYS/LS-DYNA,采用基于罚函数的流固耦合算法,对厚壁圆筒爆 室在柱状装药爆炸作用下的动态响应过程进行了数值模拟研究。分析了厚壁圆筒爆室内柱状装药爆炸非定 常流场的演化过程以及筒体的动力响应特征。给出了爆炸流场的压力云图、筒壁受到的爆炸压力峰值及冲量 的分布规律、筒体的等效应力云图以及等效应力的分布规律等。流场压力及筒体应变的计算结果与实测结果 吻合较好,并将动力响应的有限元计算结果与理论解进行了比较,证明轴对称平面应变假设下的理论解可以 给出问题的保守估算。分析表明,该厚壁圆筒爆室在柱状装药爆炸作用下在弹性范围内工作,爆室的强度设 计是安全的。     

梯度多胞牺牲层的抗爆炸分析

运用一维非线性塑性冲击波模型和细观有限元模型对密度梯度多胞牺牲层的抗爆炸性能进行了分析。基于率无关的刚性-塑性硬化模型,建立了描述冲击波在多胞牺牲层中传播的控制方程,分别给出了正、负密度梯度多胞材料在指数型爆炸载荷作用下的响应特性。研究了可正好吸收爆炸能量的梯度多胞牺牲层的临界厚度与载荷强度、覆盖层质量、多胞材料的密度梯度等参数之间的关系,给出了以临界厚度和支撑端应力峰值为指标的密度梯度设计图。运用二维细观有限元模型验证了基于非线性塑性冲击波模型的抗爆炸分析的有效性。     

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.     

损伤围岩中爆炸应力波动的数值模拟

应用有限元方法分析了硐室损伤围岩中爆炸应力波的传播和应力分布特征，通过引入JHC本构模型和岩石损伤变量D探讨了应力波作用下岩体的损伤演化模式。研究表明:围岩初始损伤对后续爆炸应力波的波动性质、作用范围和围岩应力分布具有不同程度的影响。当初始损伤超过某临界值后会显著地影响应力波的波动范围和围岩应力分布；在一定爆炸当量下，爆炸应力存在一个有效作用范围Lp，该范围塑性区以内，爆炸应力对岩体的损伤随围岩初始损伤增大而增大；有效作用范围Lp以外，围岩初始残余非弹性变形积累和单元残余拉应力可以平衡爆炸应力波动产生的损伤叠加效应，耗散了爆炸应力作用和波动能量。分析了产生在这种现象的原因。给出了有效作用范围Lp与围岩初始等效应力p之间的经验关系。     

爆炸冲击波反射流场的理论计算方法

爆炸冲击波遇到固壁，依次发生正规和非正规反射。本文中基于镜像方法，将爆炸冲击波在固壁反射等效为真实和虚拟爆炸流场的相互作用，建立了波后流场的理论计算方法。首先，假定反射波是以虚拟爆源为中心的圆弧，马赫杆是以爆心在固壁投影点为中心的圆弧。然后，根据爆炸自由场传播规律，利用基于几何近似的方法，建立流场中冲击波结构随时间演化的计算方法，确定任意时刻波后流场区域。最后，利用新发展的叠加模型LAMBR (LAMB?revisied)，将真实和虚拟爆炸流场进行叠加，给出波后流场中的压力、密度和速度等物理量。通过与数值模拟结果和已有数据进行对比，发现该方法得到的流场物理量分布、峰值等能够反映流场发展的主要规律，从而验证了该理论方法的合理性。而且，该理论方法所需的时间相较于数值模拟大大缩短。     

多种冲击载荷条件下的人体肋骨骨折有限元分析

旨在研究不同碰撞载荷条件下基于不同失效模型的人体肋骨骨折机理. 为此采用已验证的人体有限元胸部模型来分析人体肋骨骨折现象. 该模型基于人体解剖学结构,包含了人体胸椎、腰椎、肋骨、胸骨、肋间软骨、胸腹部器官和其他的软组织,定义的生物材料参数都基于已有的文献记载. 基于人体在损伤生物力学领域内一些较为典型的肋骨骨折失效模型,根据已发表文献中的人体标本实验载荷条件模拟了人体肋骨结构在不同冲击载荷下的骨折现象,并与这些实验结果进行了对比分析. 所引用的实验结果包括单根肋骨强度结构实验和人体胸部正面碰撞块冲击实验. 从文中有限元仿真分析的结果来看,针对不同的载荷条件,不同肋骨骨折失效模型的适用性各不相同. 该人体胸部有限元模型可用于车辆交通事故中冲击载荷条件下的人体肋骨损伤生物力学研究.      

密度梯度柱壳链的弹性波传播特性研究

均匀圆柱壳链可以调控弹性波传播, 引入密度梯度有望进一步提高波形调控能力. 通过建立密度梯度柱壳链的细观有限元模型和连续介质模型, 研究了密度梯度柱壳链的弹性波传播特性. 通过将密度梯度柱壳链等效为变密度连续介质弹性杆, 建立了其在应力脉冲作用下的控制方程. 运用拉普拉斯积分变换方法, 考虑杆中密度遵循线性分布, 获得了方程的解析解. 以三角形应力脉冲作用为例, 通过与细观有限元模拟结果比较, 发现解析解可以较好地预测梯度柱壳链中载荷的演化趋势. 正梯度链中载荷峰值随着波传播逐渐增大, 负梯度链中载荷峰值随着波传播逐渐减小. 正梯度链支撑端峰值载荷高于均匀链, 负梯度链支撑端峰值载荷低于均匀链, 这表明相较于均匀柱壳链, 密度梯度柱壳链可以在更大范围内对波形进行调控. 线性密度梯度参数对梯度柱壳链的波形调控能力影响较大, 梯度参数越小, 传递到支撑端的峰值载荷越小; 相反, 梯度参数越大, 支撑端的峰值载荷越大. 建立的理论模型及其解析解为研究梯度柱壳链中应力波传播规律及揭示载荷调控机理提供了理论基础.      

圆柱形爆炸容器的内壁爆炸载荷

爆炸容器内壁所受爆炸载荷的确定是容器动态响应特征研究、容器结构设计及安全评估的基础。对自行研制的组合式圆柱形爆炸容器开展了系列内爆加载试验,测量了容器内壁几个典型位置所受爆炸载荷,并利用ANSYS/LS-DYNA软件对容器内爆载荷的形成和传播全过程进行了数值模拟。通过对试验结果进行分析,获得了容器内壁所受爆炸载荷的特征及其分布规律,并拟合出容器圆柱形壳体部分所受载荷首脉冲的峰值压力、正压作用时间和比冲量经验计算公式、容器内部准静态压力经验计算公式。通过对数值模拟结果进行分析,阐明了容器内壁所受爆炸载荷特征和分布规律的形成机理。研究结果表明,椭球端盖内壁产生的马赫反射波在端盖极点汇聚,使得极点所受载荷峰值压力及单次脉冲比冲量峰值总是所有测点中最大的,峰值压力最高可达圆柱壳所受最大压力的2.79倍,应予以足够重视。     

A study of impact wave propagation in the thorax

The stress wave generated by a non-penetrating impact on the thorax is likely to cause severe injury to the lung. Theoretical studies are necessary to the understanding of injury mechanisms. Within the framework of elastodynamics, we have built a model with two media, separated by a plane interface, representing the thoracic wall and the lung. Using an appropriate method, we quantify the energy carried by the shear wave created at the interface and we describe the distribution of energy in the medium representing the lung. These results should contribute to a better interpretation of the experimental results.     

Impact non-pénétrant sur le thorax : une contribution à l'étude de la propagation des ondes

The stress wave generated by a nonpenetrating impact on the thorax is likely to cause severe injury to the lung. Theoretical studies are necessary to help the understanding of injury mechanisms. Within the framework of elastodynamics, we study the transmission of a wave at the interface between two weakly coupled semi-infinite media representing the thoracic wall and the lung. By using an appropriate method, we describe the distribution of energy carried by the shear and pressure waves in the medium representing the lung. These results should contribute to a better interpretation of the experimental results.     

A study of blast wave loading on cantilevers

A study has been made of the response of elastic-plastic and brittle circular-cross-section cantilevers when subjected to blast wave loading. It is demonstrated how the deformation or failure of such cantilevers enables them to be used as blast wave gauges. In addition, the deformation of cantilever-type structures can be used to assess the characteristics of accidental explosions. Two numerical models have been developed to describe the deformation of a dynamically loaded cantilever. Both models assume that the plastic deformation is localized in a region near the fixed end, and that the loading force is a function of the dynamic-pressure time-history and a variable drag coefficient, which depends on the Reynolds number, Mach number and angle of attack of each discretized element of the cantilever. The first model assumes a rigid-plastic response of the cantilever. It was found that this model accurately described the response of cantilevers made of 50/50 lead/tin alloy. It overestimated the deformation of cantilevers made of more elastic materials when exposed to blast waves from high explosives and in a shock tube. The second model assumes an elastic-plastic response. The algorithm is based on the premise that the elastic curvature of the cantilever is limited by the plastic yield stress of the material and that as the curvature approaches this limit the cantilever rotates by the amount needed to keep the curvature constant and equal to this maximum. It has been shown that this algorithm minimizes the curvature of the cantilever at the base. This model provided good predictions of the deformation of cantilevers made of aluminum and steel. The numerical models were evaluated by studying the response of cantilevers exposed to shock waves in a shock tube, and to the blast waves from two explosions of ammonium-nitrate/fuel-oil charges of approximately 2.5 kt. The response to the shock tube flows was recorded by high speed photography which showed good agreement between the observed modes of deflection and those predicted by the elastic-plastic model. The models also provided good predictions of the deformation of a wide range of cantilevers, made of a variety of materials and of different diameters and lengths, when exposed to the free field blast waves. It is demonstrated how the numerical models can be used to determine the type of cantilever that might be used as a gauge for monitoring the blast wave from an explosion, or for evaluating the deformation of a cantilever exposed to the blast wave from an accidental explosion so as to characterize the explosion. Received 23 September 1996 / Accepted 11 November 1996     

Failure mechanisms of concrete slab–soil double-layer structure subjected to underground explosion

The failure mechanism of a concrete slab–soil double-layer structure subjected to an underground explosion was investigated by experimental and numerical methods in this paper. Two underground explosion depths of 150 and 350 mm were tested. The typical failure modes such as the conoid spall of concrete, the bulge of the concrete slab and the cavity in the soil were obtained experimentally. Numerical simulations of the experiments were performed using a hydrodynamic code to analyze the effects of both the stress wave and the expansion of the blast products. Based on the experimental and numerical results, the effects of explosive depth, blast wave front and expansion of the blast products on the failure modes and failure mechanisms were discussed. The underground explosion process at different explosion depths was also analyzed. The results show that attenuation of the stress wave in the soil is significant. The blast wave front and the expansion of the blast products play different roles at different explosion depths. At the explosion depth of 150 mm, the failure mode is mainly caused by a point load induced by the blast wave front, whereas at the depth of 350 mm a sphere-shaped load resulting from the expansion of the blast products is a key factor for failure.     

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...     

爆炸波在非饱和钙质砂中的传播规律

以球形TNT药包作为爆源，在密实的非饱和钙质砂中进行了一系列大尺寸爆炸模型试验。主要研究在不同药包质量、埋深及砂土试样含水率条件下，密实钙质砂中爆炸波的主要基本参数随传播距离增加而变化的规律。试验结果表明爆炸波主要以弹塑性波的形式在密实钙质砂中传播，在干燥和潮湿试样中塑性纵波波速随试样初始密度的增大或含水率的降低而增大，且范围分别为250～282 m/s和302～339 m/s。集团装药情况下，非饱和钙质砂中封闭爆炸的临界比例埋深约为2.25 m/kg1/3。在试验范围内，密实钙质砂中爆炸波的法向应力峰值及法向比冲量的衰减均服从爆炸相似律。封闭爆炸时，干燥钙质砂中爆炸波的应力衰减指数在测点比例爆心距大于或小于0.75 m/kg1/3处分别为2.94或1.37；潮湿钙质砂中爆炸波的应力衰减指数随含水率升高而增大，其范围为1.39～1.79。法向比冲量衰减指数随试样含水率升高而减小，其范围为0.97～1.18。