背面效应人体胸部防护有限元建模与仿真研究

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撞击伤是人体在外力作用下,其组织及内部器官受到物理损伤,导致功能丧失,甚至致死。士兵在战场中所受到的最大威胁即枪弹伤。虽然防弹衣的使用可有效地阻止子弹穿透人体组织所造成贯穿性损伤,但子弹击中人体时仍有相当多的能量通过防弹衣传递到人体而造成损伤,这种现象即—背面效应。为了能更好的预测撞击损伤,探索损伤机理和防护措施是十分必要的。随着计算机仿真研究手段和方法的提高,动态有限元方法在人体创伤和防护研究领域的应用,克服了过去依赖动物实验获得数据的局限性。通过仿真可以获取人体体腔内部各部位和器官的应力响应和变形,与动物实验数据相比,更符合人体实际情况。因此有限元法用于创伤力学研究,逐渐成为目前的重要研究手段。动态有限元模拟分析更适用于不可实验的人体生物力学的研究,从计算力学的角度来研究人体撞击损伤,采用力学理论来诠释问题,已逐渐成为人体生物力学研究的主要手段。本课题的研究采用医学影像数据及逆向点云数据两种数据形式,通过医学三维重建及逆向点云处理建立了皮肤(含肌肉组织)、肋骨、肺、心脏、肝脏和胃的几何模型。在几何模型的基础上,进行有限元网格划分,设置单元类型及单元的大小,生成用于力学分析的人体胸部、护甲及子弹的有限元模型。对该有限元模型进行动态模拟计算,研究在体外冲击载荷作用下,应力波在胸部组织器官中传递规律。获得人体胸部各部分器官的位移形变和应力-应变等生物力学变化数据。并采用与人体软组织器官材料力学属性相似的非生物材料,进行射击实验,得到了随时间变化的压力曲线。通过对模拟数据与实验数据进行对比,验证了仿真分析数据的可靠性。为了解外载荷冲击下应力波在胸部的传播机制,和损伤预测及防护设计提供理论计算和实验依据。
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