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冲击波作用于生物体造成的损伤称为冲击伤。战争、工业事故、恐怖袭击都可能导致冲击伤。冲击波所致损伤程度与冲击波压力在生物体内的传播和分布密切相关。长期以来,对冲击波作用下生物体内冲击波压力的分布主要采用在动物体内安装传感器的方式进行测量,但这种实验方法存在明显的缺陷:如真实冲击波场受环境因素的影响较大、物理参数的可控性差;动物损伤的稳定性和重复性差;准备工作繁杂、人力物力消耗大、周期长、试验成本高等。随着生物力学和计算机仿真技术的迅速发展,有限元模型和有限元分析方法在损伤生物力学及相关领域已经有了广泛的应用,计算机建模和数值仿真可望成为研究冲击波损伤机制的一种有效的手段。本文拟以冲击波作用的主要靶器官—肺脏为研究对象,通过建立一个几何结构准确、生物逼真度高、能适用于各种冲击波的羊肺脏有限元模型,为冲击波作用机制的研究提供有效的理论模型。针对上述问题,本文建立了武器生物损伤效应实验数据管理系统,以实现对武器生物损伤效应实验数据的科学、高效管理,为冲击波损伤效应的有限元仿真分析提供数据支撑;基于羊肺部CT扫描图像构建了肺脏几何模型,经过网格划分和定义肺脏材料参数建立了羊肺脏有限元模型;在此基础上,采用ANSYS/LS-DYNA软件平台的流固耦合算法对冲击波作用下肺脏的应力应变分布进行数值仿真计算,并对有限元模型和算法的有效性进行了分析。主要研究方法及获得的结果、结论如下:①通过对武器生物损伤效应研究的需求分析,确定数据库登陆内容和结构,建立了武器生物损伤效应实验数据库。系统选用MS Access2003搭建数据库管理平台,Visual Basic 6.0作为前台界面开发工具,建立了由数据查询、数据管理和系统维护三大模块构成、以C/S为登陆方式的数据库。该数据管理系统信息按实验室研究和现场试验数据分类,包含试验动物基本信息、试验条件信息、损伤效应信息、动物伤情图例、武器物理参数信息和生物效应指标管理。该数据管理系统可实现武器对生物损伤效应实验数据的科学、高效管理,能为武器损伤生物效应评估的研究提供数据支撑。②利用CT扫描获得羊肺脏连续断层图像数据并导入Mimics软件,通过设定目标图像灰度阈值和区域增长的方法提取肺脏轮廓信息,采用面绘制算法重构羊肺脏几何模型。③羊肺脏几何模型优化处理后导入ANSYS ICEM CFD(AI)软件,选定合适的网格划分参数,使用四面体单元,划分体网格;同时新建一个立方体模型,选择六面体单元划分体网格,形成空间域,并将肺脏模型包裹在内;使用AI软件的有限元网格导出功能,将两部分网格导出为ANSYS命令流文件,在文件中修改单元类型为SOLID164实体单元,增加定义材料参数的关键字,并定义仿真实验的边界条件,包括施加的冲击波压力条件和约束条件;启动ANSYS/LS-DYNA软件,读入修改后的命令流文件,即可导入羊肺脏和空间域有限元模型,共133263个实体单元。④基于ANSYS/LS-DYNA平台对冲击波作用下羊肺脏的应力应变分布进行了仿真分析:约束了空间域4个边界的法向位移,计算分3个工况,分别施加50 kPa,100 kPa和200 kPa的冲击波压力,采用流固耦合算法处理空气冲击波对羊肺脏的冲击作用。仿真结果可清晰看到冲击波压力场在肺脏周围的分布及变化,并计算得到了不同工况下的平均肺内压曲线。⑤利用武器生物损伤效应实验数据库提供的羊冲击波致伤实验的实测数据与数值仿真结果进行了比较和分析,结果较为一致,肺脏在冲击作用下应力集中部位均为肺的边缘。验证了本研究建立的模型基本上能反映肺脏在冲击波作用下的应力情况,所用建模方法可行、有效。