Piotr W. SIELICKI, Tomasz GAJEWSKI Instytut Konstrukcji

Analiza numeryczna ruchu ciała ludzkiego
poddanego obciążeniu wybuchem
Numerical analysis of the human body under explosion
Piotr W. SIELICKI, Tomasz GAJEWSKI
Instytut Konstrukcji Budowlanych
Politechnika Poznańska
Model numeryczny metody elementów skończonych
 główy powód śmierci ofiar wybuchów związany jest z uszkodzeniem organów
wrażliwych na wysokie ciśnienie powietrza, tj. błona bębenkowa, płuca, trzewia
 zagadnienie dynamiczne, zastosowano metodę elementów skończonych, wykorzystano
jawny schemat całkowania
 w przykładzie symulacyjnym ładunek wybuchowy umieszczono
na poziomie podłoża w odl. 1m od manekina
 objętość powietrza wymodelowano jako sześcian
(o boku 3 m)
 wymiar elementu skończonego powietrza
wynosi 0.02 m
3m
1m
3m
3m
Modelowanie ciała ludzkiego
 przyjęto reprezentatywny model ciała ludzkiego, młody mężczyzna o wzroscie 1.79 m
oraz masie 84.8 kg
 poszczególne części manekina wymodelowano jako ciała sztywne (połączone ze sobą
zgodnie z ruchomościami, jak w anatomicznych stawach)
 wymodelowano czternaście części ciała o łącznej liczbie około 1.5 miliona
czterościennych elementów skończonych
MeshLab
Meshmixer
Modelowanie połączeń stawowych
 zaproponowano model kinematyki stawów
(parametry z kalibracji na podstawie Kaleps 1987 oraz ISOM)


 (x  d )
f ( x)  a
c
9
 10 b


x   min
x  ( min ;  max )
x   max
f (x) – moment oporu ruchu (x – kąt obrotu)
a, b, c, d
– parametry pochodzące z kalibracji
α min ÷ αmax – kątowy zakres ruchu,
na podstawie danych z ISOM
 przyjęto trzynaście anatomicznych połączeń (głównie stawów):
• stawy typu zawiasowego z jedną osią obrotu:
stawy skokowe, kolanowe oraz łokciowe
• stawy typu kulistego:
stawy promieniowo-nadgarstkowe, krzyżowo-biodrowe, ramienne oraz szyja
Modelowanie połączeń stawowych
 parametry po kalibracji na podstawie Kaleps 1987 oraz ISOM
staw w / płaszczyzna
ruchu
αmin ÷ αmax (α0 )[o]
a [-]
b [-]
c [-]
d [-]
staw w / płaszczyzna
ruchu
αmin ÷ αmax (α0 )[o]
a [-]
b [-]
c [-]
d [-]
lewa kostka / grzbiet.
-20 ÷ 45 (7.5)
1.503
0.3413
0.264
4.98
lewe biodro/ czołowa
-45 ÷ 25 (0)
-5.477
-1.995
0.033
-9.94
prawa kostka/ grzbiet.
-20 ÷ 45 (10)
0.018
0.0042
1.192
2.48
prawe biodro/grzbiet.
-15 ÷ 125 (12.5)
2.164
98.559
-0.210
42.29
lewe kolano/ grzbiet.
0 ÷ 130 (40)
3.552
10.932
3.133
41.95
prawe biodro/ czołowa
-45 ÷ 25 (0)
0.260
0.096
0.074
-9.96
0 ÷ 130 (21.5)
1.197
11.11
4.448
52.56
lewe ramię/ grzbiet.
-50 ÷ 170 (-5)
0.087
100.01
-0.255
55.39
lewy nadg./ grzbiet.
-50 ÷ 60 (0)
0.558
5.296
0.306
5.07
lewe ramię/ poprzeczna
-30 ÷ 135 (0)
0.665
99.85
2.025
52.63
lewy nadg./ czołowa
-20 ÷ 30 (0)
18.235
0.680
0.193
5.02
lewe ramię/ czołowa
-170 ÷ 0 (0)
0.524
99.80
0.304
-84.91
prawy nadg./ grzbiet.
-50 ÷ 60 (0)
0.283
2.676
0.566
5.09
prawe ramię/ grzbiet.
-50 ÷ 170 (20)
0.086
100.03
-0.142
40.25
prawy nadg./ czołowa
-20 ÷ 30 (0)
4.486
0.167
0.797
5.02
prawe ramię/ poprzeczna
-30 ÷ 135 (0)
0.641
98.835
1.279
52.57
lewy łokieć/ grzbiet.
-150 ÷ 0 (0)
1.246
100.74
0.165
-74.90
prawe ramię/ czołowa
0 ÷ 170 (0)
0.515
100.07
-0.625
85.01
prawy łokieć/ grzbiet.
-150 ÷ 0 (0)
1.262
103.7
0.157
-74.90
szyja/ czołowa
-45 ÷ 45 (0)
0.036
0.0836
-0.709
0.16
lewe biodro/ grzbiet.
-15 ÷ 125 (32.5)
2.369
108.8
-0.505
22.28
szyja/ grzbiet.
-40 ÷ 40 (–20)
7.955
0.518
2.518
20.57
prawe kolano/ grzbiet.
 uwzględnienie ograniczonej możliwości ruchu
170o
f [Nm]
200
-200
-200
-50o
-50
x
[o]
200
0o
20o
Modelowanie fali uderzeniowej
 równanie stanu Jones-Wilkins-Lee materiału wybuchowego
 równanie stanu dla gazu idealnego (powietrza)
Wykres ciśnienia
 ciśnienie obliczone w odległości 2 cm od powierzchni ucha (lewego i prawego)
masa TNT
[kg]
nadciś. maks.
L/P [kPa]
0.4
276.1 / 269.2
0.6
344.1 / 321.7
0.8
380.5 / 363.7
1.0
419.9 / 389.6
Wykres ciśnienia
 ciśnienie obliczone w odległości 1 cm od powierzchni klatki piersiowej
masa
TNT
[kg]
nadciś.
maks.
[kPa]
0.4
470.8
0.6
592.8
0.8
699.8
1.0
794.0
Podsumowanie
 zbudowano model MES ciała ludzkiego obciążonego falą uderzeniową oraz zaproponowano
matematyczny model kinematyczny stawów oraz zaprezentowano przyjęte wartości dla trzynastu
głównych stawów
 fala uderzeniowa szybciej dociera do obszaru klatki piersiowej niż uszu
 wartości maksymalne ciśnienia dla klatki piersiowej są prawie dwukrotnie większe (1.7-1.9) niż
dla błony bębenkowej
Podziękowanie
Praca powstała w ramach projektu „Modularny system ekranów szybkiego montażu dla ochrony ludzi, budynków i
mienia przed skutkami wybuchu” o numerze UOD-DEM-1-203/001
Literatura
 International Standard of Orthopaedic Measurements. Technical report, The American Association
of Orthopaedic Surgeons
 Kaleps I., White R.P., Beecher Jr.,R.M. , Whitestone J. and Obergefell L.A., Measurement of hybrid III dummy
properties and analytical simulation data base development. Technical report, Harry G. Armstrong Aerospace
Medical Research Laboratory, 1987