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爆炸与冲击

ExplosionandShockWaves

稿号：xxxx-xxxx（初稿/修改稿）

*爆炸冲击波下颅脑损伤机理的数值模拟研究

栗志杰1，由小川1，柳占立1，庄茁1，杜智博1，杨策2，张仡1

（1.清华大学航天航空学院，北京100084；2.陆军军医大学（第三军医大学），重庆400038）

摘要：爆炸引起的颅脑损伤已经成为现代战场单兵的主要致伤形式，而相关的致伤机理依然没有明确。本

文针对头部在爆炸冲击波作用下的动态响应及相关致伤机理进行了数值模拟研究。首先，基于颅脑的核磁共振切

片建立了人体头部三维数值模型，该模型真实地反映了颅脑的生理特征与细节构造；利用该模型对人体头部碰撞

实验进行数值模拟，模拟结果与实验结果吻合良好，验证了头部模型的有效性。在此基础上，基于欧拉-拉格朗日

耦合(Euler-LagrangianCouplingMethod，CEL)方法发展了爆炸冲击波-头部流固耦合模型，对头部受到爆炸冲击波

正面冲击与侧面冲击两种工况进行了数值模拟，分别从流场压力分布、脑组织压力、颅骨变形与加速度等方面对

头部动态响应过程进行了分析，得到了脑组织的动态响应规律，揭示了相应的损伤机理。本文所得结论可为脑损

伤诊断与防护设备开发提供理论指导。

关键词：三维头部模型；爆炸冲击波；创伤性脑损伤；流固耦合

中图分类号：XXXX.X文献标识码：A

1引言

现代局部战争战伤分析显示

[1]，由爆炸导致的单兵伤亡约占总伤亡人数的70%，其中冲击波直接

作用引起的伤害约占60%。同时，世界范围内爆炸恐怖袭击日益猖獗，严重危害民众的生命安全。而

作为人体中枢神经系统的头部，是爆炸冲击波的重要靶器官。据相关报告显示

[1]，美军中受到创伤性

脑损伤（TraumaticBrainInjury，TBI）影响的军人为总服役人数的20%，这其中由于爆炸冲击波所引

起的脑损伤(Blast-inducedTraumaticBrainInjury，b-TBI)占比高达40-60％。爆炸冲击波引起颅脑损伤

的途径主要包括冲击波对头部的直接作用、飞起破片对头部的冲击作用、头部与其他物体的撞击作用、

冲击波对头部的电磁热等作用[2-3]。随着爆炸伤的日渐频发，爆炸冲击波作用下的颅脑致伤机理与对应

的防护策略成为研究热点。关于颅脑致伤机理，当前的研究主要集中在爆炸冲击波对头部直接作用所

造成的颅脑损伤。

虽然大量的动物实验、生理病理学分析以及数值模拟研究建立了颅脑碰撞损伤与头部加速度之间

的联系，并确定了相应的损伤准则[4-6]，而相关理论并不能应用于爆炸冲击波直接作用下的颅脑损伤分

析。ICernak等人[7]在生物激波管实验中将老鼠进行完全固定，保证头部在冲击波条件下为稳定状态，

但是实验结果表明老鼠的脑组织仍然出现了器质性病变。这表明爆炸冲击波对颅脑的损伤可以通过直

接作用产生。而爆炸冲击波对头部直接作用的时间通常在1-3微秒，是应力波主导的物理现象。因此，

基于头部加速度建立的颅脑碰撞损伤理论无法解释上述实验现象。

针对爆炸冲击波直接作用下的颅脑损伤，相关学者做了大量的研究工作，并提出了多种致伤机理。

Cloots等人[8-10]将微观体积单元（CriticalVolumeElement，CVE）与常规有限元单元进行结合建立了

脑组织的多尺度模型，从而得到脑组织细胞层次的力学响应，并结合生物细胞的力学损伤实验，建立

*收稿日期：______________；修回日期：______________；

基金项目：国家973计划(613307)；

第一作者：栗志杰（1987－），男，硕士，在读博士生.E-mail:lizhijie163.com,TEL:

通讯作者：由小川（1977－），男，博士，副研究员.E-mail:youxiaochuan@,TEL:

爆炸与冲击

ExplosionandShockWaves

了相应的损伤准则。Radovitzky等人[11-12]发展了脑组织的多尺度生物力学模型，研究了爆炸冲击波作

用下颅脑在组织、细胞等不同尺度的生物响应特征，并建立了评估b-TBI风险的动物与人之间的尺度

律。GoellerJ等人[13-14]提出脑脊液空穴致伤机制，通过激波管实验与数值模拟对脑脊液的空穴效应进

行了研究，研究结果表明脑脊液在冲击波作用下会发生空化与湮灭，形成局部点高压，从而造成脑组

织损伤。FranckC[15]基于类脑软材料研究了微型空穴效应在b-TBI当中的作用，并利用实时成像技术

对不同应变率下神经元细胞的损伤模式进行了探究