兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (5): 1681-1691.doi: 10.12382/bgxb.2022.1063
收稿日期:
2022-11-16
上线日期:
2023-05-25
通讯作者:
LI Gang, XU Bingchuan, HU Bin, CAI Meng*()
Received:
2022-11-16
Online:
2023-05-25
摘要:
为研究真实工况下人员在爆炸冲击波作用下的动态响应特性,开展某型云爆弹静爆作用下工事内仿人形装置(Anthropomorphic Test Device,ATD)和绵羊的毁伤试验研究。采用爆炸测试装置和简易假人作为研究对象,通过6发爆炸试验分析爆炸冲击波在ATD表面传播规律,开展 2种人员损伤预测模型的对比分析。研究结果表明:在本试验工况下,冲击波和崩落的混凝土碎块是主要的毁伤元;爆炸冲击波在ATD表面首先发生反射,随后绕射至其他部位,压力曲线表现出非典型冲击波特征,反射叠加效应明显;在典型冲击波特征正压作用时间区间内,由于Axelsson损伤模型线性阻尼项的影响,求解的胸壁运动速度呈现出先增大至峰值后降低的现象;Axelsson损伤模型与UFC 3-340-02规范相比,在人员损伤预测方面相对保守。所得研究结果可为工程应用及毁伤评估提供参考。
中图分类号:
李冈, 徐冰川, 胡滨, 蔡萌. 复杂爆炸载荷致肺损伤试验研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(5): 1681-1691.
LI Gang, XU Bingchuan, HU Bin, CAI Meng. Experimental Research on Human Lung Injury Induced by Complex Blast Wave[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(5): 1681-1691.
发次 | 静爆点位置 |
---|---|
1 | 洞口1右沿正前方1.45m |
2 | 洞口1正前方1.72m |
3 | 洞口1前方1.45m,与洞口的垂线距右沿0.43m |
4 | 洞口1左沿正前方1.45m |
5 | 前室左外墙体上边沿的左侧1.00m |
6 | 洞口2前沿的左侧1.20m |
表1 试验参数
Table 1 Test parameters
发次 | 静爆点位置 |
---|---|
1 | 洞口1右沿正前方1.45m |
2 | 洞口1正前方1.72m |
3 | 洞口1前方1.45m,与洞口的垂线距右沿0.43m |
4 | 洞口1左沿正前方1.45m |
5 | 前室左外墙体上边沿的左侧1.00m |
6 | 洞口2前沿的左侧1.20m |
发次 | 类别 | 超压峰值/kPa | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
BTD | 简易假人1 | ||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 | 3 | 4 | ||
1 | 测试值 | 109.41 | 67.27 | 34.20 | 40.82 | 203.49 | 155.83 | 123.93 | 111.87 |
转换值 | 187.58 | 115.33 | 58.63 | 69.98 | 348.88 | 267.17 | 212.47 | 191.80 | |
2 | 测试值 | 71.91 | 49.88 | 26.66 | 18.58 | 204.94 | 120.25 | 123.77 | 83.28 |
转换值 | 123.29 | 85.52 | 45.71 | 31.85 | 351.36 | 206.16 | 212.20 | 142.78 | |
3 | 测试值 | 50.45 | 33.52 | 27.24 | 15.73 | 210.11 | 68.25 | 103.84 | 84.91 |
转换值 | 86.49 | 57.47 | 46.70 | 26.97 | 360.23 | 117.01 | 178.03 | 145.58 | |
4 | 测试值 | 51.24 | 34.01 | 24.46 | 15.33 | 152.98 | 93.76 | 113.40 | 112.68 |
转换值 | 87.85 | 58.31 | 41.94 | 26.28 | 262.28 | 160.75 | 194.42 | 193.19 | |
5 | 测试值 | 26.34 | 20.35 | 20.64 | 12.13 | 104.40 | 62.89 | 59.13 | 68.59 |
转换值 | 45.16 | 34.89 | 35.39 | 20.80 | 178.99 | 107.82 | 101.38 | 117.60 | |
6 | 测试值 | 74.14 | 59.59 | 34.25 | 35.52 | 267.88 | 192.72 | 195.53 | 212.29 |
转换值 | 127.11 | 102.17 | 58.72 | 60.90 | 459.27 | 330.41 | 335.23 | 363.96 |
表2 冲击波超压
Table 2 Blast wave overpressure
发次 | 类别 | 超压峰值/kPa | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
BTD | 简易假人1 | ||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 | 3 | 4 | ||
1 | 测试值 | 109.41 | 67.27 | 34.20 | 40.82 | 203.49 | 155.83 | 123.93 | 111.87 |
转换值 | 187.58 | 115.33 | 58.63 | 69.98 | 348.88 | 267.17 | 212.47 | 191.80 | |
2 | 测试值 | 71.91 | 49.88 | 26.66 | 18.58 | 204.94 | 120.25 | 123.77 | 83.28 |
转换值 | 123.29 | 85.52 | 45.71 | 31.85 | 351.36 | 206.16 | 212.20 | 142.78 | |
3 | 测试值 | 50.45 | 33.52 | 27.24 | 15.73 | 210.11 | 68.25 | 103.84 | 84.91 |
转换值 | 86.49 | 57.47 | 46.70 | 26.97 | 360.23 | 117.01 | 178.03 | 145.58 | |
4 | 测试值 | 51.24 | 34.01 | 24.46 | 15.33 | 152.98 | 93.76 | 113.40 | 112.68 |
转换值 | 87.85 | 58.31 | 41.94 | 26.28 | 262.28 | 160.75 | 194.42 | 193.19 | |
5 | 测试值 | 26.34 | 20.35 | 20.64 | 12.13 | 104.40 | 62.89 | 59.13 | 68.59 |
转换值 | 45.16 | 34.89 | 35.39 | 20.80 | 178.99 | 107.82 | 101.38 | 117.60 | |
6 | 测试值 | 74.14 | 59.59 | 34.25 | 35.52 | 267.88 | 192.72 | 195.53 | 212.29 |
转换值 | 127.11 | 102.17 | 58.72 | 60.90 | 459.27 | 330.41 | 335.23 | 363.96 |
参数 | 70kg哺乳动物 | 比例因子 |
---|---|---|
M/kg | 2.03 | (M/70) |
J/(N·s·m-1) | 696 | (M/70)2/3 |
K/(N·m-1) | 989 | (M/70)1/3 |
A/m2 | 0.082 | (M/70)2/3 |
V0/m3 | 0.00182 | (M/70) |
g | 1.2 |
表3 Axelsson损伤模型参数
Table 3 Parameters of Axelsson injury model
参数 | 70kg哺乳动物 | 比例因子 |
---|---|---|
M/kg | 2.03 | (M/70) |
J/(N·s·m-1) | 696 | (M/70)2/3 |
K/(N·m-1) | 989 | (M/70)1/3 |
A/m2 | 0.082 | (M/70)2/3 |
V0/m3 | 0.00182 | (M/70) |
g | 1.2 |
损伤等级 | ASII | v/(m·s-1) |
---|---|---|
无损伤 | 0.0~0.2 | 0~3.6 |
轻微伤到轻伤 | 0.2~1.0 | 3.6~7.5 |
轻伤到中度伤 | 0.3~1.9 | 4.3~9.8 |
中度伤到重度伤 | 1.0~7.1 | 7.5~16.9 |
50%致死率 | >3.6 | >12.8 |
表4 损伤分类与ASII和v之间的关系
Table 4 Correlation among injury level, ASII and v
损伤等级 | ASII | v/(m·s-1) |
---|---|---|
无损伤 | 0.0~0.2 | 0~3.6 |
轻微伤到轻伤 | 0.2~1.0 | 3.6~7.5 |
轻伤到中度伤 | 0.3~1.9 | 4.3~9.8 |
中度伤到重度伤 | 1.0~7.1 | 7.5~16.9 |
50%致死率 | >3.6 | >12.8 |
发次 | BTD | 简易假人1 | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
max v1/ (m·s-1) | max v2/ (m·s-1) | max v3/ (m·s-1) | max v4/ (m·s-1) | v/ (m·s-1) | max v1/ (m·s-1) | max v2/ (m·s-1) | max v3/ (m·s-1) | max v4/ (m·s-1) | v/ (m·s-1) | |
1 | 1.73 | 0.69 | 0.64 | 0.87 | 0.98 | 2.55 | 3.31 | 2.45 | 2.77 | |
2 | 0.81 | 0.65 | 0.54 | 0.65 | 0.66 | 3.15 | 1.20 | 3.19 | 2.26 | 2.45 |
3 | 0.67 | 0.62 | 0.51 | 0.63 | 0.61 | 4.30 | 2.09 | 3.20 | ||
4 | 0.55 | 0.61 | 0.60 | 0.60 | 0.59 | 3.04 | 2.72 | 3.38 | 3.05 | |
5 | 0.54 | 0.61 | 0.51 | 0.49 | 0.54 | 2.56 | 1.71 | 1.63 | 1.97 | |
6 | 1.21 | 0.48 | 0.67 | 0.80 | 0.79 | 5.61 | 6.55 | 6.08 |
表5 基于Axelsson损伤模型的胸壁运动速度计算结果
Table 5 Calculated results of chest wall velocity based on the Axelsson injury model
发次 | BTD | 简易假人1 | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
max v1/ (m·s-1) | max v2/ (m·s-1) | max v3/ (m·s-1) | max v4/ (m·s-1) | v/ (m·s-1) | max v1/ (m·s-1) | max v2/ (m·s-1) | max v3/ (m·s-1) | max v4/ (m·s-1) | v/ (m·s-1) | |
1 | 1.73 | 0.69 | 0.64 | 0.87 | 0.98 | 2.55 | 3.31 | 2.45 | 2.77 | |
2 | 0.81 | 0.65 | 0.54 | 0.65 | 0.66 | 3.15 | 1.20 | 3.19 | 2.26 | 2.45 |
3 | 0.67 | 0.62 | 0.51 | 0.63 | 0.61 | 4.30 | 2.09 | 3.20 | ||
4 | 0.55 | 0.61 | 0.60 | 0.60 | 0.59 | 3.04 | 2.72 | 3.38 | 3.05 | |
5 | 0.54 | 0.61 | 0.51 | 0.49 | 0.54 | 2.56 | 1.71 | 1.63 | 1.97 | |
6 | 1.21 | 0.48 | 0.67 | 0.80 | 0.79 | 5.61 | 6.55 | 6.08 |
损伤特征 | 损伤等级 | 有效压力/kPa |
---|---|---|
鼓膜损伤 | 阈值 | 34.5 |
50% | 103.4 | |
肺损伤 | 阈值 | 206.8~275.8 |
50% | 551.5 | |
阈值 | 689.4~827.3 | |
死亡 | 50%致死率 | 896.2~1240.9 |
100%死亡 | 1378.8~1723.5 |
表6 冲击波超压造成人员损伤的标准
Table 6 Blast wve overpressure-induced personnel injury judgment standard
损伤特征 | 损伤等级 | 有效压力/kPa |
---|---|---|
鼓膜损伤 | 阈值 | 34.5 |
50% | 103.4 | |
肺损伤 | 阈值 | 206.8~275.8 |
50% | 551.5 | |
阈值 | 689.4~827.3 | |
死亡 | 50%致死率 | 896.2~1240.9 |
100%死亡 | 1378.8~1723.5 |
发次 | BTD | 简易假人1 | ||
---|---|---|---|---|
Axelsson | UFC 3-340-02 | Axelsson | UFC 3-340-02 | |
1 | 肺部 无损伤 | 50%鼓膜破裂 | 肺部 无损伤 | 肺损伤 |
2 | 肺部 无损伤 | 50%鼓膜破裂 | 肺部 无损伤 | 肺损伤 |
3 | 肺部 无损伤 | 鼓膜有损伤 | 轻微伤到 轻伤 | 肺损伤 |
4 | 肺部 无损伤 | 鼓膜有损伤 | 肺部 无损伤 | 肺损伤 |
5 | 肺部 无损伤 | 鼓膜有损伤 | 肺部 无损伤 | 50%鼓膜破裂 |
6 | 肺部 无损伤 | 50%鼓膜破裂 | 轻伤到 中度伤 | 肺损伤 |
表7 评估结果
Table 7 Assessed results
发次 | BTD | 简易假人1 | ||
---|---|---|---|---|
Axelsson | UFC 3-340-02 | Axelsson | UFC 3-340-02 | |
1 | 肺部 无损伤 | 50%鼓膜破裂 | 肺部 无损伤 | 肺损伤 |
2 | 肺部 无损伤 | 50%鼓膜破裂 | 肺部 无损伤 | 肺损伤 |
3 | 肺部 无损伤 | 鼓膜有损伤 | 轻微伤到 轻伤 | 肺损伤 |
4 | 肺部 无损伤 | 鼓膜有损伤 | 肺部 无损伤 | 肺损伤 |
5 | 肺部 无损伤 | 鼓膜有损伤 | 肺部 无损伤 | 50%鼓膜破裂 |
6 | 肺部 无损伤 | 50%鼓膜破裂 | 轻伤到 中度伤 | 肺损伤 |
生物羊 | 发次 | 作用效果 |
---|---|---|
1 | 口鼻少量出血,呼吸急促 | |
1号 | 2 | 未见明显损伤,呼吸急促 |
3 | 未见明显损伤,呼吸急促 | |
4 | 未见明显损伤,呼吸急促 | |
2号 | 5 | 口鼻少量出血,呼吸急促 |
6 | 颈部、耳部、右后蹄处有破片伤,呼吸急促 |
表8 生物羊伤情描述
Table 8 Explosion injury features of the sheeps
生物羊 | 发次 | 作用效果 |
---|---|---|
1 | 口鼻少量出血,呼吸急促 | |
1号 | 2 | 未见明显损伤,呼吸急促 |
3 | 未见明显损伤,呼吸急促 | |
4 | 未见明显损伤,呼吸急促 | |
2号 | 5 | 口鼻少量出血,呼吸急促 |
6 | 颈部、耳部、右后蹄处有破片伤,呼吸急促 |
损伤分级 | 伤情描述 |
---|---|
无损伤 | 无明显损伤 |
轻微伤 | 斑点或瘀斑出血 |
轻伤 | 有散在瘀点或瘀斑出血但小于全肺10% |
中度伤 | 胸膜下瘀斑出血,面积为全肺的11%~30% |
重度伤 | 肺实质性挫伤或肺实变,面积为全肺的31%~60% |
严重伤 | 肺实质性挫伤或弥漫性出血,面积为全肺的61%~100% |
表9 肺损伤等级
Table 9 Description of lung injury levels
损伤分级 | 伤情描述 |
---|---|
无损伤 | 无明显损伤 |
轻微伤 | 斑点或瘀斑出血 |
轻伤 | 有散在瘀点或瘀斑出血但小于全肺10% |
中度伤 | 胸膜下瘀斑出血,面积为全肺的11%~30% |
重度伤 | 肺实质性挫伤或肺实变,面积为全肺的31%~60% |
严重伤 | 肺实质性挫伤或弥漫性出血,面积为全肺的61%~100% |
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