Применение математической модели нижней конечности человека для моделирования ударно-волнового воздействия контактного взрыва
- Авторы: Денисов А.В.1, Матвейкин С.В.2, Заикин С.В.3, Анисин А.В.1, Васильева С.Н.1,4, Селиванов Е.А.5
-
Учреждения:
- Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова
- Военно-инженерная ордена Кутузова академия имени Героя Советского Союза генерал-лейтенанта инженерных войск Д.М. Карбышева
- Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения
- Научно-производственное объединение специальных материалов
- 111-й Главный государственный центр судебно-медицинских и криминалистических экспертиз
- Выпуск: Том 26, № 3 (2024)
- Страницы: 337-348
- Раздел: Оригинальное исследование
- URL: https://journals.rcsi.science/1682-7392/article/view/264255
- DOI: https://doi.org/10.17816/brmma629470
- ID: 264255
Цитировать
Аннотация
Обосновывается имитационная конечно-элементная модель процесса разрушения биоматериалов опорно-двигательного аппарата человека при ударно-волновом воздействии контактного взрыва для прогнозирования характера и объема повреждения нижних конечностей человека, в том числе при проектировании специальной взрывозащитной обуви. Анализируются научные данные, описывающие физико-механические свойства биологических тканей нижних конечностей человека и их поведение при локальном ударно-волновом воздействии. Осуществлен подбор механического поведения для каждого биологического материала в составе математической модели нижней конечности человека. Обоснована оригинальная конечно-элементная модель нижней конечности человека с настроенным взаимодействием основных составляющих ее анатомических структур друг с другом. Проведена верификация разработанной расчетной модели с данными, полученными по результатам экспериментов с механическим и ударно-волновым воздействием. Создана специализированная программа обработки полученных данных, в которой реализован алгоритм обработки получаемых графических изображений изменений показателей давлений и ускорений во времени, с целью получения кривых толерантности. Проведен ряд численных расчетов, имитирующих контактный подрыв через защитную композицию разработанной модели нижней конечности. По результатам проведенных расчетов получены кривые толерантности давлений и ускорений, созданы анимации поведения анатомических структур нижней конечности человека при ударно-волновом воздействии, получена визуализация распространения поля давлений в них. В перспективе представленная методика проведения «виртуальных» испытаний может применяться для решения ряда прикладных вопросов тестирования средств защиты нижних конечностей сапера на этапе их разработки. В целом применение методик компьютерного моделирования будет способствовать сокращению времени и затрат на производство новых образцов защитных изделий в интересах обороноспособности страны.
Полный текст
Открыть статью на сайте журналаОб авторах
Алексей Викторович Денисов
Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова
Автор, ответственный за переписку.
Email: vmeda-nio@mil.ru
ORCID iD: 0000-0002-8846-973X
SPIN-код: 6969-0759
канд. мед. наук
Россия, Санкт-ПетербургСергей Вячеславович Матвейкин
Военно-инженерная ордена Кутузова академия имени Героя Советского Союза генерал-лейтенанта инженерных войск Д.М. Карбышева
Email: sv-matv@bk.ru
ORCID iD: 0009-0002-9546-8425
SPIN-код: 6269-0498
канд. тех. наук
Россия, КрасногорскСергей Вениаминович Заикин
Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения
Email: Sv.zaikin@mail.ru
ORCID iD: 0009-0002-9749-6665
SPIN-код: 7428-5580
канд. тех. наук
Россия, Хотьково, Московская областьАлексей Владимирович Анисин
Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова
Email: vmeda-nio@mil.ru
ORCID iD: 0000-0003-4555-953X
SPIN-код: 1213-3797
канд. мед. наук
Россия, Санкт-ПетербургСветлана Николаевна Васильева
Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова; Научно-производственное объединение специальных материалов
Email: vmeda-nio@mil.ru
ORCID iD: 0009-0003-9731-6027
SPIN-код: 1276-3137
инженер
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-ПетербургЕвгений Александрович Селиванов
111-й Главный государственный центр судебно-медицинских и криминалистических экспертиз
Email: Selivanove@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8791-3707
SPIN-код: 4458-6793
врач-судебно-медицинский эксперт
Россия, Санкт-ПетербургСписок литературы
- Даренская Н.Г., Ушаков И.Б., Иванов И.В., и др. Экстраполяция экспериментальных данных на человека в физиологии и радиобиологии: принципы, подходы, обоснование методов и их использование в физиологии и радиобиологии: руководство. Москва: Истоки, 2004. 232 с. EDN: PXXXHX
- Cartner J.L., Hartsell Z., Ricci W., Tornetta P. Can we trust ex vivo mechanical testing of freshfrozen cadaveric specimens? The effect of postfreezing delays // J Orthop Trauma. 2011. Vol. 25, N 8. P. 459–461. doi: 10.1097/BOT.0b013e318225b875
- Гусенцов А.О., Кильдюшов Е.М. Имитатор тела человека как входной параметр баллистического эксперимента // Судебно-медицинская экспертиза. 2020. Т. 63, № 5. С. 23–29. EDN: LZBQCZ doi: 10.17116/sudmed20206305123
- Coupland R.M., Rothschild M.A., Thali M.J. Wound Ballistics: Basics and applications. Berlin: Springer, 2008. 514 p.
- Кузьмин Н.Н., Черноземцев А.В., Рыбаков А.П. Модели для описания явлений воздействия ударников на панели бронежилета // Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. № 12-1. С. 174–181. EDN: TKIWFZ
- Roberts J.C., Ward E.E., Merkle A.C., O’Connor J.V. Assessing behind armor blunt trauma in accordance with the national institute of justice standard for personal body armor protection using finite element modeling // J Trauma. 2007. Vol. 62, N 5. Р. 1127–1133. doi: 10.1097/01.ta.0000231779.99416.ee
- Грицанов А.И., Фомин Н.Ф., Миннулин И.П., Файзи Н. Особенности патогенеза, клиники, диагностики и лечения минно-взрывных повреждений // Военно-медицинский журнал. 1990. № 9. С. 46–48.
- Шаповалов В.М., Грицанов А.И. Патогенез и принципы лечения взрывных повреждений // Современные медицинские технологии и перспективы развития военной травматологии и ортопедии. 2000. С. 3–4.
- Yamada H. Strength of biological materials. Williams and Wilkins, Baltimore, 1970. 297 р.
- Kemper A.R., McNally C., Duma S.M. Biofidelity of an original and modified SID-IIs matched cadaver and dummy compression tests // Biomed Sci Instrum. 2008. Vol. 44. P. 111–116.
- LS-DYNA. Keyword User’s Manual. Volume II. Material Models. LS-DYNA R.11; 10/12/18 (rev.:10572). Livermore Software Technology Corporation (LSTC). 2018. 1207 р.
- Муйземнек А.Ю., Богач А.А. Математическое моделирование процессов удара и взрыва в программе LS-DYNA: учебное пособие. Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ, 2005. 106 с. EDN: QJOEKB
- Tremblay J. Impulse on blast deflectors from a landmine explosion. Valcartier, Quebec. Defence Research Establishment. 1998. Report No: DREV-TM-9814.
- Ottenio M., Tran D., Annaidh A.N., et al. Strain rate and anisotropy effects on the tensile failure characteristics of human skin // J Mech Behav Biomed Mater. 2015. Vol. 41. Р. 241–250. doi: 10.1016/j.jmbbm.2014.10.006
- Mooney M. A theory of large elastic deformation // Journal of Applied Physics. 1940. Vol. 11, N 9. Р. 582–592. doi: 10.1063/1.1712836
- Macosko C.W. Rheology: principles, measurement and applications. Wiley-VCH, 1994. 576 р.
- Reed M.P., Rupp J.D. An anthropometric comparison of current ATDs with the US adult population // Traffic injury prevention. 2013. Vol. 14, N 7. P. 703–705. doi: 10.1080/15389588.2012.752819