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基于多物理场耦合的爆炸冲击波对人体创伤效应评估软件设计与实现

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代社会，爆炸事故频发，无论是战争冲突中的军事爆炸，还是工业生产、日常生活中的意外爆炸，都对人类的生命安全和财产造成了巨大威胁。例如，在军事领域，简易爆炸装置、军用弹药的爆炸时常导致大量人员伤亡；在工业方面，化工企业、矿山等场所的爆炸事故也屡见不鲜，如2015年天津港爆炸事故，造成了重大人员伤亡和财产损失，爆炸产生的冲击波对周边建筑和人员造成了严重的破坏和伤害。据统计，近年来全球范围内因爆炸事故导致的伤亡人数呈上升趋势，爆炸冲击波作为爆炸事故中主要的杀伤因素之一，其对人体造成的创伤效应极其复杂和严重。

爆炸冲击波对人体的损伤涉及多个方面，它会对头部、肺、胃肠、耳鼓膜等器官造成初级爆炸伤。当冲击波作用于人体时，会在极短的时间内使人体组织受到巨大的压力和应力，导致血管破裂、肝脾肺等内脏器官破裂、肌纤维撕裂、肋骨骨折等严重伤害。在战争中，爆炸冲击波性脑损伤的发生率约为40-60%，估计有32万服役人员或20%的战士遭受过爆炸冲击波性脑损伤之苦。在频发的自制炸弹及汽车炸弹的恐怖袭击中，爆炸冲击波性脑损伤的发生率也很高。

面对如此严峻的形势，准确评估爆炸冲击波对人体的创伤效应显得尤为重要。而开发爆炸冲击波对人体创伤效应评估软件具有重大的现实意义。在预防方面，该软件可以通过模拟不同爆炸场景下冲击波的传播和对人体的作用，为安全规划和防护措施的制定提供科学依据。对于化工企业的厂区布局规划，利用评估软件可以分析不同位置的爆炸风险，合理安排建筑物和人员活动区域，从而降低爆炸事故对人员的潜在威胁；在建筑物设计中，根据软件评估结果，可以加强建筑结构的抗冲击性能，提高人员在爆炸事故中的生存几率。

在救援领域，评估软件同样发挥着不可或缺的作用。在爆炸事故发生后，救援人员可以利用该软件快速评估被困人员可能受到的创伤程度，从而有针对性地制定救援方案和准备医疗资源。软件可以根据爆炸的当量、距离、人员位置等信息，预测人体各器官的损伤情况，帮助医疗人员提前做好相应的救治准备，如准备手术器材、调配血液等，极大地提高救援效率和成功率，为挽救生命争取宝贵的时间。

准确评估爆炸冲击波对人体的创伤效应并开发相应的评估软件，对于保障人类生命安全、减少爆炸事故造成的损失具有不可估量的价值，是当前亟待深入研究和解决的重要课题。

1.2国内外研究现状

在爆炸冲击波对人体创伤效应评估的研究领域，国内外学者已取得了一系列具有重要价值的成果。

国外方面，美国自二战以来，便在冲击波对人体的损伤与爆炸防护方面展开了深入且细致的研究，并收获了一定的研究成果。在实验研究上，诸多创伤医学和力学研究机构广泛开展了冲击波作用生物体损伤实验，其中包括自由场爆炸实验和激波管实验。自由场爆炸实验能够较好地模拟真实的爆炸条件与环境，例如兵器工业卫生研究所李存治等开展的战斗部静爆对山羊的毁伤效应实验，明确了爆炸冲击波对山羊的致死半径为30m（超压360kPa），致伤半径为50m（超压80kPa），大于50m处无损伤。不过，自由场爆炸实验存在成本高、耗时长、危险性高等弊端。而以压缩气体为驱动源的激波管加载方法，可产生与爆炸波相似的空气冲击波，且具备更高的可控性和可重复性。李扬基于激波管实验定量研究了大鼠轻型颅脑爆炸冲击伤后颅脑代谢、血管灌注、结构和功能特征的变化，为临床早期准确诊断及制定治疗方案提供了科学依据。在数值模拟领域，随着数值方法和计算机技术的进步，研究学者构建了多种生物体有限元模型用于研究爆炸波作用下的生物体损伤。Towsend等开展了大鼠颅内压、应变和脑组织材料性能的相关性分析，发现脑组织的体积模量和剪切模量对颅内压和应变有显著影响。J.H.Stuhmiller等基于人体胸部数学模型与做功的创伤标准，研制了爆炸冲击波对肺创伤的评估软件Injury，通过人体胸部四周的冲击波加载参数，计算胸腔运动速度，得到冲击波对肺组织的做功，参照肺创伤的功准则，可以预测冲击波对肺组织的创伤程度及肺出血的面积比。

国内的研究也在稳步推进且成果丰硕。在爆炸冲击波对人体损伤规律的研究上，众多学者进行了深入探索。孙艳馥等以“JoseHenrych”经验式为计算模型，探讨了标准TNT炸药在不同当量条件下、在空气自由场中点爆炸时冲击波的变化规律，并得出了不同装药量时的鼓膜损伤和不同死亡率下的安全距离。在数值仿真方面，周杰等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