» Blog » Analiza fizjologicznych skutków udaru balistycznego po niepenetrującym uderzeniu pocisku w ciało człowieka

Analiza fizjologicznych skutków udaru balistycznego po niepenetrującym uderzeniu pocisku w ciało człowieka

Badania fizjologicznych skutków udaru balistycznego pokazują, że często decydują one o zdrowiu i życiu użytkowników tekstylnych osłon balistycznych w warunkach ostrzału. Ze względów etycznych takich badań nie można prowadzić z udziałem ludzi ani zwłok ludzkich. Praktycznie podczas każdego niepenetrującego uderzenia pocisku dochodzi do uszkodzenia narządów i tkanek ciała o skali zależnej od parametrów pocisku i efektywności balistycznej osłony. Stąd celem badań była ocena fizjologicznych skutków udaru balistycznego po niepenetrującym uderzeniu pocisku Parabellum 9 × 19 mm FMJ w tekstylny pakiet wykonany z tkaniny dwuosiowej i trójosiowej Kevlar 29 o porównywalnej masie powierzchniowej.

Na podstawie sekwencji obrazów tomografii komputerowej mężczyzny opracowano model numeryczny ciała ludzkiego. Badania numeryczne zweryfikowano na bazie badań eksperymentalnych z wykorzystaniem fizycznego modelu korpusu człowieka. W wyniku badań numerycznych i eksperymentalnych dla obu pakietów tekstylnych oceniano fizjologiczne skutki udaru balistycznego z uwzględnieniem deformacji organów oraz ciśnień występujących w miejscu uderzenia pocisku.

Model geometryczny korpusu człowieka opracowano z wykorzystaniem sekwencji obrazów – poprzecznych przekrojów narządów wewnętrznych wykonanych za pomocą tomografu komputerowego. Obszar badań radiologicznych obejmował jamę klatki piersiowej, jamę brzuszną oraz jamę miednicy.

W modelu numerycznym  uwzględniono najważniejsze organy: mięsień serca; aortę; płuca z tchawicą; wątrobę; układ kostny obejmujący klatkę piersiową z mostkiem, kręgosłupem oraz miednicą; rdzeń kręgowy w kanale kręgowym; śledzionę; nerki; jelito cienkie i grube; układ mięśniowy ze skórą.

W programie Geomagic Design X opracowano model geometryczny wartsw pakietu balistycznego dopasowanego do krzywizny ciała człowieka. Poszczególne warstwy modelowano w postaci zhomogenizowanych powłok 2D. Pakiet balistyczny składał się z 30 warstw. Na rysunku obok pokazano model ciała człowieka wraz z modelem pakietu balistycznego dopasowanego do jego krzywizny oraz przód pakietu.

Metodyka badań numerycznych modelu korpusu człowieka

Siatki elementów skończonych dla modeli geometrycznych narządów wewnętrznych korpusu człowieka, pocisku Parabellum 9 × 19 mm FMJ oraz pakietu balistycznego wygenerowano w programie ANSYS ICEM. Natomiast badania numeryczne ostrzału ciała chronionego przez pakiet balistyczny z tkanin dwuosiowej i trójosiowej Kevlar 29 przeprowadzono w programie LS-Dyna. Istotnym etapem przygotowania modelu do obliczeń było ustalenie kontaktujących się obiektów oraz określenie typu kontaktu i współczynników tarcia. Zastosowano typ kontaktu AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE i zdefiniowano kontakty pomiędzy obiektami modelu oraz współczynniki tarcia statycznego i dynamicznego (na podstawie danych z literatury [1–7]).

Kolejny etap definiowania warunków początkowych i brzegowych modelu do obliczeń numerycznych polegał na przyjęciu modeli materiałowych narządów wewnętrznych, pocisku oraz pakietów tekstylnych. Korzystając z literatury z zakresu biomechaniki, zdefiniowano parametry wytrzymałościowe modeli materiałowych narządów wewnętrznych ciała człowieka [8–14]. Na tej samej podstawie przyjęto parametry wytrzymałościowe dla ołowianego rdzenia i płaszcza pocisku Parabellum 9 × 19 mm FMJ dla modelu materiałowego *MAT_SIMPLIFIED_JOHNSON_COOK [7].

Aby ocenić wpływ struktury pakietu balistycznego na fizjologiczne skutki udaru balistycznego, zastosowano zróżnicowane rodzaje modeli materiałowych z zachowaniem takich samych parametrów wytrzymałościowych przędzy Kevlar 29 [1, 15–17]. Zaproponowano rodzaj modelu materiałowego dla powłoki 2D modelującej tkaninę dwuosiową *MAT_ORTHO_ELASTIC_PLASTIC, który łączy ortotropowe właściwości materiału sprężysto-plastycznego [18]. Aby określić kryterium zniszczenia dla materiału, przyjęto dodatkową kartę ustawień materiałowych *ADD_ERROSION. Dla analizowanej tkaniny trójosiowej Kevlar 29 przyjęto rodzaj modelu materiałowego *MAT_PLASTIC_KINEMATIC, który służy głównie do modelowania obiektów sprężysto-
plastycznych [18].

Model fizyczny korpusu człowieka

Na podstawie opinii medycznej przyjęto założenie, że fizyczny model korpusu człowieka będzie miał: serce, płuca, układ mięśniowy i kostny. W pierwszym kroku opracowano modele płuc i serca, które wykonano z silikonu. Aby dobrać parametry silikonu, przeprowadzono badania statyczne jednoosiowego ściskania wypreparowanych próbek z płuc i serca świni. To pozwoliło na wyznaczenie charakterystyki naprężenia w funkcji odkształcenia. Następnie przeprowadzono serię badań jednoosiowego ściskania próbek silikonu przy różnych proporcjach wagowych jego składników. Porównano krzywe ściskania próbek płuc i serca pochodzących od świni z próbkami silikonowymi i w ten sposób wytypowano wariant składu chemicznego silikonu.

W następnym kroku przystąpiono do budowy układu kostnego. Model mostka wykonano z porowatej płyty PVC o grubości ok. 10 mm. Układ żeber powstał z płaskowników o grubości ok. 6 mm i szerokości ok. 20 mm. Żebra wykonano z tworzywa pleksiglas. W celu odwzorowania kształtów żeber każdą listewkę poddano obróbce cieplnej, która pozwoliła zamodelować kształt kości.

Wykonanie modelu układu kostnego polegało na precyzyjnym zamocowaniu każdej pary żeber na kręgosłupie oraz mostku. Model kręgosłupa wykonano z profilu aluminiowego. W ostatnim kroku wykonano układ mięśniowy z żelu balistycznego Clear Ballistics. Do pomiaru ciśnienia występującego podczas niepenetrującego uderzenia pocisku w modelu fizycznym korpusu człowieka zastosowano czujniki siły nacisku.

Metodyka badań eksperymentalnych

Badania kuloodporności wielowarstwowych miękkich pakietów tekstylnych przeprowadzono w Laboratorium Badań Balistycznych na Wydziale Technologii Materiałowych i Wzornictwa Tekstyliów Politechniki Łódzkiej.

Ocenę fizjologicznych skutków udaru balistycznego przeprowadzono z użyciem modelu fizycznego korpusu człowieka oraz pakietów wykonanych z tkanin dwuosiowych i trójosiowych Kevlar 29. W tunelu balistycznym przygotowano miękkie pakiety balistyczne składające się z 30 warstw tkanin. Poszczególne warstwy wykrojono zgodnie z szablonem przodu ciała człowieka, opracowanym na podstawie wymiarów klatki piersiowej modelu fizycznego.

Charakter oraz następstwa fizjologicznych skutków udaru balistycznego, będącego efektem niepenetrującego uderzenia pocisku, zależą od miejsca trafienia. Stąd jednym z przeprowadzonych wariantów ostrzału było uderzenie pocisku w mostek na linii położenia serca.

Z punktu widzenia analizy fizjologicznych skutków udaru balistycznego w zależności od pakietu balistycznego istotne mogą być wartość deformacji i sposób jej rozkładu na powierzchni ciała. Na rysunku obok przedstawiono deformację powierzchni ciała człowieka w początkowej fazie uderzenia pocisku podczas badań numerycznych.

W trakcie analizy rozkładu deformacji zauważono, że w przypadku zastosowania pakietu balistycznego z tkanin dwuosiowych uwidocznił się wpływ ich anizotropowej struktury i na powierzchni ciała można było wyróżnić dwa kierunki rozprzestrzeniania się odkształceń. W przypadku ochrony ciała pakietem balistycznym z tkanin trójosiowych kierunkowość rozchodzenia się deformacji wokół punktu uderzenia pocisku była mniejsza. To wpływ bardziej izotropowych właściwości struktury tkaniny trójosiowej.

Skutki obrażeń wewnętrznych powstałych w wyniku uderzenia pocisku uwidoczniły się na powierzchni ciała człowieka oraz w układzie kostnym. Podczas oględzin modelu fizycznego korpusu człowieka zauważono złamania mostka niezależnie od zastosowanego pakietu balistycznego.

Podczas oceny obrażeń zewnętrznych fizycznego modelu ciała człowieka zaobserwowano miejscowe mikrouszkodzenia żelu balistycznego. Największe obrażenia były w mostku, który uległ licznym pęknięciom, przy czym liczba pęknięć była większa po uderzeniu pocisku w pakiet balistyczny z tkanin dwuosiowych. Analiza medyczna wskazuje, że w wyniku przerwania ciągłości anatomicznej mostka może dojść do uszkodzenia wewnętrznych struktur naczyniowo-nerwowych chronionych przez mostek. Specyfika złamania kości w odróżnieniu od innych uszkodzeń jest taka, że są to złamania wieloodłamkowe, w których odłamy mogą się stać pociskami wtórnymi.

Analiza i porównanie badań numerycznych i eksperymentalnych

Na kolejnym etapie analizowano wyniki badań eksperymentalnych i numerycznych w postaci ciśnień wywieranych w modelu fizycznym i numerycznym ciała człowieka po uderzeniu pocisku w mostek.

Zarówno w badaniach numerycznych, jak i eksperymentalnych  stwierdzono, że większe wartości ciśnień w mostku występują podczas ochrony ciała pakietem balistycznym z tkanin dwuosiowych niż z tkanin trójosiowych. W wyniku uderzenia pocisku w pakiet z tkanin dwuosiowych nacisk jest bardziej miejscowy i obejmuje mniejszą powierzchnię
ciała, co wpływa na większe ciśnienie w miejscu uderzenia penetratora. W przypadku pakietu balistycznego z tkanin trójosiowych siła nacisku rozkłada się na większej powierzchni i maksymalna wartość ciśnienia w miejscu uderzenia pocisku jest mniejsza. Dodatkowo na podstawie przebiegu ciśnienia z badań eksperymentalnych można wnioskować, że charakterystyczny spadek, a następnie wzrost wartości ciśnienia jest wynikiem pęknięcia mostka.

Podsumowując, przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych i numerycznych fizjologicznych skutków udaru balistycznego po niepenetrującym uderzeniu pocisku w pakiety tekstylne składające się z 30 warstw tkanin aramidowych. Zauważono istotny wpływ struktury tkaniny pakietu na obrażenia w fizycznym i numerycznym modelu korpusu człowieka. W przypadku tkaniny trójosiowej istnieje możliwość zminimalizowania deformacji i wartości ciśnienia w miejscu uderzenia pocisku. Z punktu widzenia
medycznego prowadzi to do mniejszej traumy balistycznej, obejmującej pęknięcie żebra, rozerwanie miąższu płuc czy zaburzenia rytmu serca. Przy ochronie pakietem z tkaniny dwuosiowej obrażenia wewnętrzne mogą być większe, gdyż wartość deformacji i ciśnie nia w miejscu uderzenia były wyższe. Struktura miękkiego pakietu balistycznego ma istotny wpływ na skalę traumy balistycznej potencjalnego użytkownika kamizelki kuloodpornej.

Autorzy:

Justyna Pinkos, Politechnika Łódzka

Zbigniew Stempień, Politechnika Łódzka

Anna Smędra, Uniwersytet Medyczny w Łodzi