Применение математической модели торса человека для моделирования заброневого воздействия в раневой баллистике


Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Резюме. Проведен обзор научных статей, касающихся поведения тканей и органов человеческого тела при локальном механическом воздействии на него, а также описания физико-механических свойств биологических материалов. Осуществлен подбор механического поведения для каждого биологического материала в составе математической модели торса человека, создана его конечно-элементная модель, смоделированы валидационные эксперименты с использованием данных, представленных в литературе. Разработана оригинальная расчетная модель торса человека с настроенным взаимодействием органов друг с другом. Определены параметры контактного взаимодействия. Проведена верификация разработанной расчетной модели торса человека на основании данных из открытых источников для эксперимента с механическим воздействием цилиндрическим импактором. Реализован алгоритм обработки графиков давлений и ускорений с целью получения кривых толерантности. Создана специализированная модульная программа для автоматизированной обработки результатов расчетов и вывода основных результатов. Проведены 42 численных испытания, имитирующих попадание стального шарика в каждую из 21 зон для энергии 40 и 80 Дж. По результатам проведенных испытаний для каждого органа получены кривые толерантности давлений и ускорений, созданы анимации поведения органов при ударном воздействии, получена визуализация распространения поля давлений в органах торса человека.

Об авторах

А. В. Денисов

Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова

Автор, ответственный за переписку.
Email: vmeda-nio@mil.ru
Россия, Санкт-Петербург

М. Д. Степанов

Санкт-Петербургский политехнический университет

Email: vmeda-nio@mil.ru
Россия, Санкт-Петербург

Н. А. Харалдин

Санкт-Петербургский политехнический университет

Email: vmeda-nio@mil.ru
Россия, Санкт-Петербург

А. В. Степанов

Санкт-Петербургский политехнический университет

Email: vmeda-nio@mil.ru
Россия, Санкт-Петербург

А. И. Боровков

Санкт-Петербургский политехнический университет

Email: vmeda-nio@mil.ru
Россия, Санкт-Петербург

И. Е. Жуков

Ржевский научно-исследовательский испытательный сертификационный центр

Email: vmeda-nio@mil.ru
Россия, Санкт-Петербург

Е. Д. Куринной

Открытое акционерное общество «Спецмедтехника»

Email: vmeda-nio@mil.ru
Россия, Санкт-Петербург

С. Г. Цуриков

5-й испытательный центр войсковой части 09703

Email: vmeda-nio@mil.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. ГОСТ 34286-2017 «Бронеодежда. Классификация и общие технические требования». – М.: «Стандартинформ», 2018. – 11 с.
  2. Денисов, А.В. Оценка степени тяжести заброневой контузионной травмы при непробитии бронежилета / А.В. Денисов и [др.] // Вестн. Росс. воен.-мед. акад. – 2019. – № 3 (67). – С. 120–126.
  3. Денисов, А.В. Параметры запреградного выступа при непробитии керамического бронежилета / А.В. Денисов и [др.] // Вестн. Росс. воен.-мед. акад. – 2019. – № 4 (68). – С. 95–101.
  4. Озерецковский, Л.Б. Раневая баллистика. История и современное состояние огнестрельного оружия и средств индивидуальной бронезащиты / Л.Б. Озерецковский, Е.К. Гуманенко, В.В. Бояринцев. – СПб.: Калашников, 2006. – 286 с.
  5. Озерецковский, Л.Б. Особенности судебно-медицинской экспертизы при огнестрельных ранениях через бронежилет / Л.Б. Озерецковский, М.В. Тюрин, А.В. Денисов // Судебно-медицинская экспертиза. – 2013. – №. 3 (56). – С. 35–38.
  6. Cai, Z. A three-dimensional finite element modelling of human chest injury following front or side impact loading / Z. Cai [et al.] // J. of vibroegineering. – 2016. – Vol. 18, № 1. – P. 539–550.
  7. Fenne, P. M. Developing a test methodology to moderate levels of injury resulting from BABT / P. M. Fenne, J. Barnes-Warden // Proceedings of Personal Armour Systems Symposium (PASS 2014). – 2014. – 46 p.
  8. Gayzik, F.S. Development of the global human body models consortium mid-sized male full body model / F.S. Gayzik [et al.] // Proceedings of International workshop on human subjects for biomechanical research. – 2011. – Vol. 39. – Р. 12–23
  9. Hayamizu, N. Measurement of impact response of pig lung / N. Hayamizu [et al.] // Proc. of JSME Tokai Branch Conf. – 2003. – Р. 94–95.
  10. Hinsley, D.E. Behind armour blunt trauma to the thorax – physical and biological models / D.E. Hinsley, W. Tam, D. Evison // Proceedings of Personal Armour Systems Symposium (PASS 2002). – Hague, Netherlands, 2002. – 9 p.
  11. Iwamoto, M. Development of advanced human models in THUMS / M. Iwamoto [et al.] // Proc. 6th European LS-DYNA Users’ Conference. – 2007. – Р. 47–56.
  12. Kemper, A. R. Multi-scale biomechanical characterization of human liver and spleen /A. Kemper [et al.] // Proceedings of the 22nd Enhanced Safety of Vehicles Conference. – 2011. – Vol. 11. – P. 195.
  13. Kemper, A.R. Biomechanical response of human spleen in tensile loading / A.R. Kemper, A.C. Santago, J.D. Stitzel [et al.] // J. of biomechanics. – 2012. – Vol. 45, № 2. – P. 348–355.
  14. Lu, Y.C. Statistical modeling of human liver incorporating the variations in shape, size, and material properties / Y.C. Lu [et al.] // Stapp car crash journal. – 2013. – Р. 57.
  15. Maeno, T. Development of a finite element model of the total human model for safety (THUMS) and application to car-pedestrian impacts / T. Maeno, J. Hasegawa // SAE Technical Paper. – 2001. – Vol. 6, № 201. – Р. 54.
  16. Mitsuhashi, N. BodyParts3D: 3D structure database for anatomical concepts / N. Mitsuhashi [et al.] // Nucleic acids research. – 2008. – Vol. 37, № 1. – P. 782–785.
  17. Mohan, P. Development of detailed finite element dummy models / P. Mohan // 6th LS-DYNA Forum, Frankenthal, Germany. – 2007. Р. 13–22
  18. Poulard, D. Unveiling the structural response of the ribcage: contribution of the intercostal muscles to the thoracic mechanical response / D. Poulard, D. Subit // 24th 75 International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV) National Highway Traffic Safety Administration. – 2015. – № 15. – Р. 387.
  19. Reed, M.P. An anthropometric comparison of current ATDs with the US adult population / M.P. Reed, J.D. Rupp // Traffic injury prevention. – 2013. – Vol. 14, № 7. – P. 703–705.
  20. Roberts, J.C. Modeling nonpenetrating ballistic impact on a human torso / J.C. Roberts [et al.] // Johns Hopkins apl. technical digest. – 2005. – Vol. 26, № 1. – P. 84–92.
  21. Rosen, J. Biomechanical properties of abdominal organs in vivo and postmortem under compression loads / J. Rosen [et al.] // Journal of biomechanical engineering. – 2008. – Vol. 130, № 2. – P. 10–20.
  22. Saraf, H. Mechanical properties of soft human tissues under dynamic loading / H. Saraf [et al.] // Journal of biomechanics. – 2007. – Vol. 40, № 9. – P. 1960–1967.
  23. Shigeta, K. Development of next generation human FE model capable of organ injury prediction / K. Shigeta, Y. Kitagawa, T. Yasuki // Proceedings of the 21st Annual enhanced safety of vehicles. – 2009. – P. 15–18.
  24. Then, C. A method for a mechanical characterisation of human gluteal tissue / C. Then [et al.] // Technology and health care. – 2007. – Vol. 15, № 6. – P. 385–398.
  25. Umale, S. Modeling and validation of the human liver and kidney models / S. Umale [et al.] // IRCOBI Conference Proceedings. – 2013. – NIRC. – Р. 13–84.
  26. Ward, E.E. Modeling the effects of blast on the human thorax using high strain rate viscoelastic properties of human tissue / E.E. Ward // IUTAM symposium on impact biomechanics: from fundamental insights to applications. – Springer, Dordrecht, 2005. – P. 17–24.
  27. Yamada, H. Strength of biological materials / H. Yamada, F.G. Evans // Materials Sciences and Applications. – 2018. – Vol. 9, № 7. – P. 658–667.
  28. Zhao, J. Development of a human body finite element model for restraint system R&D applications / J. Zhao, G. Narwani // The 19th international technical conference on the enhanced safety of vehicles (ESV), Paper. – 2005. – № 05. – Р. 399.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема формирования ВП в мягких тканях тела человека: 1 – пуля; 2 – бронепакет; 3 – мягкие ткани; 4 – временная полость

Скачать (126KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Расчётная модель торса человека: а – вид спереди; б – вид сбоку

Скачать (81KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Фронтальный удар импактора в грудную клетку: а – направление и область воздействия импактора; б – место расположения датчика перемещений

Скачать (46KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Положение грудной клетки при воздействии импактора: а – до воздействия импактора; б – через 0,02 с после воздействия импактора

Скачать (57KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Положение грудной клетки при воздействии импактора (вид в поперечном сечении): а – до воздействия импактора; б – через 0,02 с после воздействия импактора

Скачать (39KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зоны обстрела расчетной модели торса человека

Скачать (174KB)
Метаданные

© Денисов А.В., Степанов М.Д., Харалдин Н.А., Степанов А.В., Боровков А.И., Жуков И.Е., Куринной Е.Д., Цуриков С.Г., 2020

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).