CN106295146B - 矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，包括步骤：一、流体域模型建立：所建立流体域模型为待评估矿井的三维网格模型，待评估矿井分为瓦斯巷道段和空气巷道段；二、流‑固耦合模型建立；三、人体损伤破坏评估：301、评估位置设定；302、人体模型添加；303、流固耦合数值计算；304、人体损伤破坏评估；305、下一个评估位置人体损伤破坏评估；306、多次重复步骤305，直至完成流体域模型内多个不同评估位置处的人体损伤破坏状况评估过程。本发明方法步骤简单、设计合理且实现简便、使用效果好，根据爆炸冲击波与人体的流固耦合效应，对矿井爆炸冲击波对人体的损伤破坏进行简便、快速且准确评估。

Description

矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法
技术领域
本发明属于煤矿安全评估技术领域，尤其是涉及一种矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法。
背景技术
煤炭是我国的主要能源，占我国一次能源生产和消费结构的60％左右。自煤炭开采以来，我国的煤矿安全形势十分严峻，矿井火灾、透水事故、瓦斯煤尘爆炸事故等接连不断发生。然而，煤矿瓦斯煤尘爆炸事故占50％以上，煤矿瓦斯煤尘爆炸的影响因素众多，具有潜在性、突发性、破坏性和灾难性等特点。自新中国成立以来，全国煤矿发生一次死亡百人以上的24起，21起为瓦斯(煤尘)爆炸事故，占事故总数的87.5％，占死亡总人数的90.6％。因此，煤矿所面临的瓦斯爆炸事故是极其严重的，造成的损失不可估量。
瓦斯一旦发生爆炸，在一定距离内，爆炸冲击波会造成井下工作人员死亡及不同程度地受伤。爆炸冲击波对人员造成损伤破坏的原因主要包括冲击波破坏、热破坏及有毒有害气体中毒等。其中，冲击波破坏是造成各类目标破坏的主要形式。一旦爆炸事故发生，需要对事故展开相关论证分析和损伤诊断，并根据爆炸冲击波对人的抛射和损伤后果来模拟瓦斯爆炸致灾的动态过程。但是，瓦斯煤尘/爆炸冲击波对人的伤害致灾是一个流体-结构的流固耦合作用过程。常规的室内模拟实验具有危险性大、成本高、影响因素多等缺陷，无法展开爆炸冲击波对人体破坏损伤及飞射的真实模拟。
针对上述问题，如何获得矿井爆炸冲击波与人体的流固耦合作用是问题的关键。在现有技术中，大量学者通过ANSYS/Ls-dyna、Autodyn、CFD、Autoreagas等数值模拟方法，能精确获得复杂环境中爆炸冲击波对人体局部器官的损伤破坏特性以及爆炸冲击波的传播、衰减、反射、衍射等演化特性。
2013年9月4日公开的专利号为201310229560.X的发明专利申请文件《空气中爆炸对人体创伤的评估方法及系统》中一种提出空气中爆炸对人体创伤的评估方法及系统；并且，周杰于2012年采用LS-DYNA计算分析爆炸冲击波作用于人体胸部肺的受力过程，结合肺部应力变化过程，获得肺部表面的正应力变化规律和损伤最严重的区域。2012年7月11日公开的发明专利申请文件《人工心脏瓣膜以及其基于ANSYS/LS-DYNA的性能分析方法》中，提出人工心脏瓣膜基于ANSYS/LS-DYNA的性能分析方法。陈妙峰研究了两半正弦正负相组合波形作用下人员抛离问题，采用LS-DYNA计算了立姿人体抛离时程曲线。但是上述方法由于其计算方法和软件受限，无法得到爆炸冲击波对人体结构的三维动态破坏过程。基于上述情况，也有文献提出采用方体障碍物等来代替人体结构来计算爆炸冲击波与人体的流固耦合过程，但需要指出的是，由于此方法假设理想环境条件下方体障碍物底部约束，各部位无明显特征，各点材料力学性质与人体不符合；更有研究忽视了爆炸冲击波与人体/结构的流固耦合效应。综上所述，目前关于矿井爆炸冲击波对人体的损伤破坏三位动态数值仿真评估方法还未见报道。
而实际中，相对井下巷道或工作面而言，尽管人体对爆炸冲击波的影响不大，但研究这个问题必须考虑爆炸冲击波与人体的流固耦合作用。人体结构改变会引起压力场的改变，压力场的改变又会进一步影响人体的结构变化，这是研究爆炸冲击波对人体损伤动态破坏问题的核心。若忽视这一核心问题，将会导致损伤诊断结果产生较大误差。
另外，爆炸冲击问题的数值模拟技术是在集大量理论、实验及算法的基础上提出和发展起来的，能基本反应爆源与结构之间的作用机理和动态变化过程。爆炸冲击问题的数值模拟技术在航空航天、煤层气开采、管道运输等领域得到广泛的应用，但仅限于冲击波对静态结构的应力应变及破坏过程。而矿井爆炸环境下人员伤亡是瞬态力学作用过程，因此需在建立合理的数值模型的基础上，通过选取适当的算法来实现爆炸冲击波对人体的动态破坏模拟过程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其方法步骤简单、设计合理且实现简便、使用效果好，根据爆炸冲击波与人体的流固耦合效应，对矿井爆炸冲击波对人体的损伤破坏进行简便、快速且准确评估。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一、流体域模型建立：采用数据处理设备且调用三维建模软件建立流体域模型，所述流体域模型为待评估矿井的三维网格模型；
所述待评估矿井为煤矿井下巷道，所述待评估矿井分为两个巷道段；所述待评估矿井中存在瓦斯的巷道段为瓦斯巷道段，另一个所述巷道段为空气巷道段；所述待评估矿井的三维网格模型由瓦斯巷道段模型和空气巷道段模型组成，所述瓦斯巷道段模型为所述瓦斯巷道段的三维网格模型，所述空气巷道段模型为所述空气巷道段的三维网格模型；
步骤二、流-固耦合模型建立：采用所述数据处理设备且调用流体模型建模软件，对所述瓦斯巷道段模型和所述空气巷道段模型内的流体模型分别进行建立，获得所述待评估矿井的流-固耦合模型；再采用与所述数据处理设备连接的参数输入单元，对所述流-固耦合模型中起爆点的位置进行设定；
所述瓦斯巷道段模型内的流体模型为瓦斯流动模型，所述空气巷道段模型内的流体模型为空气流动模型；所述起爆点的位置为所述瓦斯巷道段模型的几何中心点；所述瓦斯流动模型和空气流动模型组成步骤一中所述流体域模型内的流场模型；
步骤三、人体损伤破坏评估，过程如下：
步骤301、评估位置设定：采用所述参数输入单元，对所述流-固耦合模型中的评估位置进行设定；
步骤302、人体模型添加：采用所述数据处理设备将预先建立的人体模型添加至步骤二中所述流-固耦合模型中，并使所述人体模型位于所述流-固耦合模型中的当前评估位置上；
步骤303、流固耦合数值计算：采用所述数据处理设备且调用流固耦合数值计算模块，对步骤302中添加所述人体模型后的所述流-固耦合模型进行流固耦合数值计算，获得流固耦合数值计算结果；
步骤304、人体损伤破坏评估：根据步骤303中获得的流固耦合数值计算结果，采用所述数据处理设备且调用人体损伤破坏评估模块，对所述流体域模型内当前评估位置处的人体损伤破坏状况进行评估，得出当前评估位置处的人体损伤破坏状况；
步骤305、下一个评估位置人体损伤破坏评估，过程如下：
步骤3051、评估位置更改：采用所述参数输入单元，对所述流-固耦合模型中的评估位置进行更改；
步骤3052、人体损伤破坏评估：按照步骤302至步骤304中所述的方法，对所述流体域模型内更改后的评估位置处的人体损伤破坏状况进行评估，得出更改后的评估位置处的人体损伤破坏状况；
步骤306、多次重复步骤305，直至完成所述流体域模型内多个不同评估位置处的人体损伤破坏状况评估过程，得出所述流体域模型内多个不同评估位置处的人体损伤破坏状况。
上述矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其特征是：步骤一中进行流体域模型建立之前，需先采用测量设备对所述待评估矿井的所述瓦斯巷道段和所述空气巷道段的长度和横断面尺寸分别进行测量。
上述矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其特征是：步骤302中所述人体模型为采用所述数据处理设备建立的三维网格模型；采用所述数据处理设备对所述人体模型进行建立时，调用MSC Dytran软件建立所述人体模型，并调用VPG软件设置所建立人体模型的应力应变参数和运动副，且调用LS-Prepost软件对所述人体模型的材料和状态方程进行设定，所述人体模型的材料为线弹性材料。
上述矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其特征是：步骤一中所述三维建模软件为Proe5.0软件。
上述矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其特征是：步骤301中进行评估位置设定时，需采用所述参数输入单元对所述流-固耦合模型中评估位置的地理位置信息和步骤302中所述人体模型在该评估位置处的倾斜角度分别进行设定；步骤3051中进行评估位置更改时，需采用所述参数输入单元对所述流-固耦合模型中更改过的评估位置的地理位置信息和步骤302中所述人体模型在更改过的评估位置处的倾斜角度分别进行更改。
上述矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其特征是：步骤3051中进行评估位置更改时，所述数据处理设备调用LS-Prepost软件进行更改。
上述矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其特征是：步骤二中进行流-固耦合模型建立时，所述数据处理设备调用LS-Prepost软件进行建立，所述瓦斯巷道段模型内的流体模型为null模型，所述空气巷道段模型内的流体模型为null模型；
步骤二中进行流-固耦合模型建立时，还需采用所述参数输入单元对所述起爆点的点火能量进行设定。
上述矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其特征是：步骤303中进行流固耦合数值计算时，所述数据处理设备调用ANSYS/Ls-dyna软件进行计算；其中，所述流体域模型采用LS-Prepost软件进行设置；所述瓦斯巷道段模型和空气巷道段模型内的流体均采用ALE算法进行流固耦合数值计算，且所述人体模型采用Lagrange算法进行流固耦合数值计算。
上述矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其特征是：步骤304中对所述流体域模型内当前评估位置处的人体损伤破坏状况进行评估时，先根据公式计算得出冲击环境下头部损伤的评价值HIC，公式(1)中，α为头部合成加速度，2.5为头部权重系数，t1和t2分别为瓦斯爆炸冲击波作用于人体头部的起始时间和终止时间；再对步骤304中计算得出的冲击环境下头部损伤的评价值HIC进行阈值判断，并根据判断结果得出冲击环境下头部损伤的评价值Dr：当HIC≥1000时，Dr＝1；当HIC＜1000时，根据公式 计算得出冲击环境下头部损伤的评价值Dr；获得冲击环境下头部损伤的评价值Dr后，完成所述流体域模型内当前评估位置处的人体损伤破坏状况评估过程。
上述矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其特征是：步骤306中得出所述流体域模型内多个不同评估位置处的人体损伤破坏状况后，所述数据处理设备还需根据得出的所述流体域模型内多个不同评估位置处的人体损伤破坏状况，得出所述流体域模型内的人体损伤破坏报告，并对所得出的人体损伤破坏报告进行同步显示；
所述人体损伤破坏报告中包括所述流体域模型内多个不同评估位置处的人体损伤破坏状况。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、方法步骤简单、设计合理且实现方便。
2、投入成本低且使用操作简便，明显简化了矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估过程，大大缩短了仿真评估周期，大幅减小了仿真评估成本。
3、操作简便且使用效果好、实用价值高，只需设定待评估矿井的几何参数并设定点火能量即可，通过建立流-固耦合模型，获得三维爆炸流场与人体结构的流固耦合数学模型，根据模拟结果结合爆炸力学、流体力学、冲击动力学、运动学等相关理论来实现瓦斯爆炸对井下密闭空间内人体损伤破坏的综合仿真。采用本发明能够得到爆炸荷载作用下人员损伤情况，从而得到瓦斯爆炸荷载作用下巷道内部人员伤亡分布情况，具有保证比室内试验更为精确的同时，又可提高仿真计算效率的特点，对矿井爆炸伤亡事故推演及物证分析的深入研究具有重要的指导意义。
本发明通过建立动态三维数值模型，能够简单且逼真获得真实矿井环境条件下空间中各点的流场参数，克服了CFD软件模拟爆炸波的求解路径复杂、解算耗时长等缺陷，能得到巷道中不同时刻冲击波系的传播和演化规律。同时，通过设置人体运动副，采用Ale-Lagrange流固耦合模型，实现了人体在爆炸波作用下随时间的运动规律，实现了模拟结果的可视化和准确性。采用基于有限元假人的评价标准，并依据此标准进行人员损伤情况的分析，定性和定量地得出瓦斯爆炸荷载作用下的巷道内部不同情况伤亡分布。
4、主要用于矿井安全分析领域，可经济、高效地完成矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估过程，并且具有仿真评估结果准确度高、处理速度快等诸多优点，只需几分钟便可完成仿真评估过程，实用性非常强，克服了当前矿井爆炸冲击波伤害研究领域的不足，并填补了爆炸冲击波对人破坏、损伤动态仿真的空白。
综上所述，本发明方法步骤简单、设计合理且实现简便、使用效果好，根据爆炸冲击波与人体的流固耦合效应，对矿井爆炸冲击波对人体的损伤破坏进行简便、快速且准确评估。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程框图。
图2为本发明所建立人体模型的结构示意图。
图3为本发明所建立流-固耦合模型与人体模型的结构示意图。
图3-1为本发明所建立瓦斯巷道段模型和空气巷道段模型内流体模型的结构示意图。
图4为本发明仿真得出的爆炸冲击波作用时的人体抛射损伤效果图。
图5为本发明流固耦合域内爆炸冲击波的变化规律示意图。
图6为本发明不同时刻人体抛射距离的变化示意图。
图7为本发明不同评估位置处评价值HIC随比例距离变化的曲线图。
图8为本发明不同评估位置处评价值Dr随比例距离变化的曲线图。
附图标记说明:
1—瓦斯巷道段模型；2—空气巷道段模型；3—瓦斯流动模型；
4—空气流动模型。
具体实施方式
如图1所示的一种矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，包括以下步骤：
步骤一、流体域模型建立：采用数据处理设备且调用三维建模软件建立流体域模型，所述流体域模型为待评估矿井的三维网格模型；
所述待评估矿井为煤矿井下巷道，所述待评估矿井分为两个巷道段；所述待评估矿井中存在瓦斯的巷道段为瓦斯巷道段，另一个所述巷道段为空气巷道段；所述待评估矿井的三维网格模型由瓦斯巷道段模型1和空气巷道段模型2组成，所述瓦斯巷道段模型1为所述瓦斯巷道段的三维网格模型，所述空气巷道段模型2为所述空气巷道段的三维网格模型，详见图3；
步骤二、流-固耦合模型建立：采用所述数据处理设备且调用流体模型建模软件，对所述瓦斯巷道段模型和所述空气巷道段模型内的流体模型分别进行建立，获得所述待评估矿井的流-固耦合模型；再采用与所述数据处理设备连接的参数输入单元，对所述流-固耦合模型中起爆点的位置进行设定；
所述瓦斯巷道段模型内的流体模型为瓦斯流动模型3，所述空气巷道段模型内的流体模型为空气流动模型4；所述起爆点的位置为所述瓦斯巷道段模型的几何中心点；所述瓦斯流动模型3和空气流动模型4组成步骤一中所述流体域模型内的流场模型，详见图3-1；
步骤三、人体损伤破坏评估，过程如下：
步骤301、评估位置设定：采用所述参数输入单元，对所述流-固耦合模型中的评估位置进行设定；
步骤302、人体模型添加：采用所述数据处理设备将预先建立的人体模型添加至步骤二中所述流-固耦合模型中，并使所述人体模型位于所述流-固耦合模型中的当前评估位置上；
步骤303、流固耦合数值计算：采用所述数据处理设备且调用流固耦合数值计算模块，对步骤302中添加所述人体模型后的所述流-固耦合模型进行流固耦合数值计算，获得流固耦合数值计算结果；
步骤304、人体损伤破坏评估：根据步骤303中获得的流固耦合数值计算结果，采用所述数据处理设备且调用人体损伤破坏评估模块，对所述流体域模型内当前评估位置处的人体损伤破坏状况进行评估，得出当前评估位置处的人体损伤破坏状况；
步骤305、下一个评估位置人体损伤破坏评估，过程如下：
步骤3051、评估位置更改：采用所述参数输入单元，对所述流-固耦合模型中的评估位置进行更改；
步骤3052、人体损伤破坏评估：按照步骤302至步骤304中所述的方法，对所述流体域模型内更改后的评估位置处的人体损伤破坏状况进行评估，得出更改后的评估位置处的人体损伤破坏状况；
步骤306、多次重复步骤305，直至完成所述流体域模型内多个不同评估位置处的人体损伤破坏状况评估过程，得出所述流体域模型内多个不同评估位置处的人体损伤破坏状况。
本实施例中，步骤一中建立所述流体域模型时，所采用的建模方法为常规的建模方法。
并且，步骤二中建立所述待评估矿井的流-固耦合模型时，所采用的建模方法为常规的流-固耦合模型建模方法。
本实施例中，步骤302中进行人体模型添加之前，对人体模型进行建立时，采用常规的人体模型建模方法。
本实施例中，步骤一中进行流体域模型建立之前，需先采用测量设备对所述待评估矿井的所述瓦斯巷道段和所述空气巷道段的长度和横断面尺寸分别进行测量。
实际操作时，步骤二中进行流-固耦合模型建立时，需将步骤一中所建立的所述流体域模型与步骤二中所建立的流场模型进行合并，或将步骤二中所建立的流场模型加载至步骤一中所建立的所述流体域模型中，获得所述待评估矿井的流-固耦合模型。并且，能对所建立的流-固耦合模型进行修改。
本实施例中，步骤302中所述人体模型为采用所述数据处理设备建立的三维网格模型，如图2所示。采用所述数据处理设备对所述人体模型进行建立时，调用MSC Dytran软件建立所述人体模型。
并且，调用VPG软件设置所建立人体模型的应力应变参数和运动副，且调用LS-Prepost软件对所述人体模型的材料和状态方程进行设定，所述人体模型的材料为线弹性材料。其中，应力应变参数包括应力参数与应变参数，此处应力应变参数为应力系数(也称应力灵敏度系数)和应变系数(也称应变灵敏度系数)。
其中，MSC Dytran软件是具有快速模拟瞬态高度非性结构、气体/液体流动、流体-结构相互作用的大型商用软件。VPG软件是ETA(Engineering Technology Associates,Inc.)在对各大汽车厂商(如FORD、GM、DAIMLERCHRYSLER、KIA等)近20年合作的工程咨询、技术服务过程中，积累了丰富的汽车业CAE技术服务经验而开发出的整车仿真软件。此处，与整车仿真方法相同，采用VPG软件设置所建立人体模型的应力应变参数和运动副。LS-Prepost软件也称为LS-PREPOST软件或LS-PrePost软件，LS-Prepost软件是LS-DYNA软件(也称为Ls-dyna软件)的后处理软件。LS-DYNA软件(也称为LS-DYNA程序)是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包。LS-DYNA软件的状态方程库中存储有多个状态方程(英文简称为EOS)，下载LS-DYNA软件即可简便、直接获得LS-DYNA软件的所有状态方程。
因而，对所述人体模型进行建立时，采用所述数据处理设备且调用MSC Dytran软件建立人体模型并划分网格，并调用VPG软件设置所建立人体模型的应变系数(也称应变灵敏度系数)和运动副，并输出所建立人体模型的指令文件即可。
本实施例中，步骤一中所述三维建模软件为Proe5.0软件。
实际使用时，步骤一中也可以采用其它类型的常规三维建模软件。
步骤一中进行流体域模型建立时，采用所述数据处理设备且调用Proe5.0软件建立所述流体域模型，并划分所建立流体域模型内各区域的网格后，并输出所建立流体域模型的指令文件即可。
本实施例中，步骤二中进行流-固耦合模型建立时，所述数据处理设备调用LS-Prepost软件进行建立，所述瓦斯巷道段模型1内的流体模型为null模型(即零模型)，所述空气巷道段模型2内的流体模型为null模型。
并且，所述瓦斯巷道段模型1内的流体模型选用LS-DYNA软件的状态方程库中的第1号状态方程进行求解，所述空气巷道段模型2内的流体模型选用LS-DYNA软件的状态方程库中的第3号状态方程进行求解。
因而，对所述流-固耦合模型进行建立时，需对所述人体模型、所述流体域模型和所述流场模型的材料和状态方程分别进行定义，具体是调用LS-Prepost软件对人体、瓦斯和空气的材料分别进行定义。并且，实际对所述流体域模型和所述流场模型进行建立时，关键是设定边界条件。
步骤二中进行流-固耦合模型建立时，还需采用所述参数输入单元对所述起爆点的点火能量进行设定。
并且，步骤二中进行流-固耦合模型建立时，需输出所建立流场模型的指令文件。
本实施例中，步骤301中进行评估位置设定时，需采用所述参数输入单元对所述流-固耦合模型中评估位置的地理位置信息和步骤302中所述人体模型在该评估位置处的倾斜角度分别进行设定；步骤3051中进行评估位置更改时，需采用所述参数输入单元对所述流-固耦合模型中评估位置的地理位置信息和步骤302中所述人体模型在该评估位置处的倾斜角度分别进行更改。
实际操作时，对所述人体模型所处的评估位置和所述人体模型在该评估位置处的倾斜角度进行更改时，需满足以下两个条件：第一、将人体模型移动至所述流体域模型内指定的评估位置；第二、人体模型站立且与所处评估位置处瓦斯巷道段模型1或空气巷道段模型2的顶板或底板垂直。
本实施例中，步骤3051中进行评估位置更改时，所述数据处理设备调用LS-Prepost软件进行更改。
本实施例中，步骤304中对所述流体域模型内当前评估位置处的人体损伤破坏状况进行评估时，先根据公式计算得出冲击环境下头部损伤的评价值HIC，公式(1)中，α为头部合成加速度(即头部质心处的合成加速度)，2.5为头部权重系数，t1为瓦斯爆炸冲击波作用于人体头部的起始时间，t2为瓦斯爆炸冲击波作用于人体头部的终止时间；再对步骤304中计算得出的冲击环境下头部损伤的评价值HIC进行阈值判断，并根据判断结果得出冲击环境下头部损伤的评价值Dr：当HIC≥1000时，Dr＝1；当HIC＜1000时，根据公式 计算得出冲击环境下头部损伤的评价值Dr；获得冲击环境下头部损伤的评价值Dr后，完成所述流体域模型内当前评估位置处的人体损伤破坏状况评估过程。
其中，公式(1)中的α从步骤303中所述流固耦合数值计算结果中直接获得。
本实施例中，步骤306中得出所述流体域模型内多个不同评估位置处的人体损伤破坏状况后，所述数据处理设备还需根据得出的所述流体域模型内多个不同评估位置处的人体损伤破坏状况，得出所述流体域模型内的人体损伤破坏报告，并对所得出的人体损伤破坏报告进行同步显示；
所述人体损伤破坏报告中包括所述流体域模型内多个不同评估位置处的人体损伤破坏状况。
本实施例中，步骤302中进行人体模型添加时和步骤3051中进行评估位置更改时，均采用所述数据处理设备且调用MSC Dytran软件，对所述流体域模型、所述流场模型和所述人体模型的指令文件分别进行修改，以对所述人体模型在所述流-固耦合模型中的评估位置进行调整，同时能对所述人体模型在所述流-固耦合模型中的倾斜角度进行调整。
本实施例中，步骤303中进行流固耦合数值计算时，所述数据处理设备调用ANSYS/Ls-dyna软件进行计算；其中，所述流体域模型采用LS-Prepost软件进行设置；所述瓦斯巷道段模型1和空气巷道段模型1内的流体均采用ALE算法进行流固耦合数值计算，且所述人体模型采用Lagrange算法进行流固耦合数值计算。
并且，步骤303中进行流固耦合数值计算时，输出此时所述流-固耦合模型的指令文件(包括所述流体域模型、所述流场模型和所述人体模型的指令文件)并递交至求解软件进行求解计算。本实施例中，所述求解软件为ANSYS/Ls-dyna软件求解，具体是采用所述数据处理设备调用ANSYS/Ls-dyna软件进行求解。之后，采用所述数据处理设备调用LS-Prepost软件对求解结果(即流固耦合数值计算结果)进行仿真、后期处理与可视化输出，从而能相应得到人体抛射位置随时间变化图(详见图6)、各部位应力曲线等，并展开相关分析。
其中，ANSYS/Ls-dyna软件也称为ANSYS/LS-DYNA软件或ANSYS/Ls-Ddyna软件，该软件是一个显示求解软件，可解决高度非线性结构动力问题。ANSYS/LS-DYNA软件中的三种算法分别为ALE算法、Lagrange算法和Euler算法。ANSYS/LS-DYNA软件是ANSYS软件和LS-DYNA软件的有效结合。
步骤303中进行流固耦合数值计算之前，还需采用所述参数输入单元修改求解内存大小，并添加输出文件间隔、求解时间和时间步长。
本实施例中，步骤304中对所述流体域模型内当前评估位置处的人体损伤破坏状况进行评估时，利用有限元假人的评价标准进行评价。
本实施例中，步骤二中所述起爆点的点火能量为10J。
实际使用时，可根据具体需要，对所述起爆点的点火能量进行相应调整，以满足不同情况巷道的仿真需求。
本实施例中，对所述人体模型进行建立过程中，调用VPG软件设置所建立人体模型的应力应变参数和运动副时，将应力系数设定为0.15，并将运动副设置为100％。其中，应变系数与应力系数相同。
本实施例中，所述待评估矿井的高度为3.2m且其宽度为2.6。其中，所述瓦斯巷道段的长度为14m、28m或56m，所述空气巷道段的长度为16m、32m、64m或80m。并且，所述起爆点位于所述瓦斯巷道段的几何中心点上。
步骤一中对所述流体域模型进行建立时，采用结构化法进行建立，并对所建立流体域模型中各区域分别划分网格后，输出所建立流体域模型的指令文件。
对所述人体模型的材料进行设定时，所述人体模型的大部分部位采用刚性材料，完全符合人体的生理特性；其它部位采用粘弹性、带损伤的粘弹塑性、低密度泡沫材料、弹簧或阻尼材料。相应地，所建立人体模型中各部位的物理参数也不相同，详见表1：
表1 人体模型各部位物理参数表
部位 ρ E n 部位 ρ E n
大脑 2.7E3 70 0.31 颈部 2.7E3 70 0.31
面部 1.114E3 0.77 0.243 脊柱 4.0E4 205 0.31
上臂 2.223E4 70 0.31 下臂 1.638E4 70 0.31
手 3.508E4 70 0.31 腰椎 1.638E4 70 0.31
骨盆 2.13E4 205 0.31 大腿 2.7E3 205 0.31
小腿 7.85E3 205 0.31 膝盖 4E2 205 0.31
脚 1.7E3 70 0.31 肋骨 7.85E3 205 0.31
胸部 1.35E4 70 0.31 鞋 4E2 2 0.4
对表1中ρ为密度且其单位为kg/m3，E为弹性模量且其单位为MPa，n为泊松比。其中，E2表示1×102，E3表示1×103，E4表示1×104。
本实施例中，瓦斯和空气的状态方程如下：P＝C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)e(2)，公式(2)中，P为压力，e为内能；C0～C6为状态方程参数；μ＝ρ/ρ0-1，其中ρ0为初始密度，ρ为当前密度。具体而言，P反映的是瓦斯爆炸所产生冲击波的冲击力大小，e反映的是瓦斯爆炸所产生爆炸冲击波的冲击能量大小。
其中，上述线性状态方程中各参数的取值，详见表2：
表2 线性状态方程中各参数取值表
本实施例中，采用所述参数输入单元修改求解内存大小，并添加输出文件间隔、求解时间和时间步长时，求解内存根据电脑参数及网格、节点数量进行设置；输出文件个数为400个，求解时间为500ms，时间步长设置为5ms。
实际使用时，可根据具体需要，对求解内存大小、输出文件数量与间隔、求解时间和时间步长分别进行相应调整。
由上述内容可知，步骤304中对所述流体域模型内当前评估位置处的人体损伤破坏状况进行评估时，基于有限元假人的评价标准，即国际通用冲击波损伤评价标准，详见表3和表4，作为冲击环境下头部损伤的评价标准并依据此标准进行人员损伤情况的分析。公式t1为瓦斯爆炸冲击波作用于人体头部的起始时间，t2为瓦斯爆炸冲击波作用于人体头部的终止时间，t1和t2也称为瓦斯爆炸冲击波与人体头部作用的起止时间，t1和t2之间的时间间隔也称为加速度作用的时间间隔。
表3 冲击波损伤评价标准1
表4 冲击波损伤评价标准2
HIC HIC≤1000 HIC>1000
Dr 0.12％ 0.12％-0.75％ 0.75％ 1
损伤程度 无伤 中伤 重伤 死亡
由表3、表4可知，根据瓦斯爆炸后人员伤亡情况划分伤亡级别及推演爆炸冲击波超压，为事故诊断及物证分析提供定性定量化的精确报告。
步骤304中完成人体损伤破坏评估后，还需采用所述数据处理设备且调用数据输出模块，对当前评估位置处的人体损伤破坏状况(即评估结果)进行输出。
本实施例中，步骤304中完成人体损伤破坏评估后，采用所述数据处理设备且调用LS-Prepost软件对当前评估位置处的人体损伤破坏状况(即评估结果)进行仿真后期处理与可视化输出，包括爆炸冲击波作用时的人体抛射损伤效果图、流固耦合域内爆炸冲击波的变化规律示意图和不同时刻人体抛射距离的变化示意图，详见图4、图5和图6，图4中不同颜色表示不同的损伤程度。
本实施例中，步骤304中得出的冲击环境下头部损伤的评价值Dr，对所述流体域模型内当前评估位置处的人体损伤破坏状况进行确定：当Dr＝1时，说明当前评估位置处的人体损伤破坏状况为死亡；当Dr＜0.12％时，说明当前评估位置处的人体损伤破坏状况为无伤；当0.12％≤Dr＜0.75％时，说明当前评估位置处的人体损伤破坏状况为中伤；当0.75％≤Dr＜1时，说明当前评估位置处的人体损伤破坏状况为重伤。其中，“无伤”指的是没有损伤，“中伤”指的是损伤破坏程度为中等，“重伤”指的是损伤破坏程度为严重。
本实施例中，步骤304中进行人体损伤破坏评估时，还需计算所述流体域模型内当前评估位置处的比例距离，其中比例距离根据公式进行计算，其中R为参考点爆炸源距离(即当前评估位置与起爆点之间的距离)；W为当前评估位置处瓦斯爆炸荷载的等效TNT当量，即爆炸冲击波在当前评估位置处的能量的TNT当量，其中TNT当量为用释放相同能量的TNT炸药的质量表示核爆炸释放能量的一种习惯计量。爆炸冲击波在当前评估位置处的能量为瓦斯爆炸所产生爆炸冲击波在当前评估位置处的冲击能量(即当前评估位置处的瓦斯爆炸荷载)，该参数从步骤303中所述流固耦合数值计算结果中直接获得。
结合图7和图8，采用本发明能得出不同评估位置处评价值HIC随比例距离变化的曲线图和不同评估位置处评价值Dr随比例距离变化的曲线图，从而能得出瓦斯爆炸荷载作用下的巷道内部不同情况伤亡分布情况，为矿井瓦斯伤亡事故诊断提供更为有利的证据。其中，评估位置也称为评估点或测点，本实施例中，选取4个评估位置，4个所述评估位置分别为1#测点、2#测点、3#测点和4#测点。4个所述评估位置处的比例距离详见表5：
表5 不同评估位置处比例距离列表
本实施例中，所述人体损伤破坏报告中还包括不同评估位置处评价值HIC随比例距离变化的曲线图和不同评估位置处评价值Dr随比例距离变化的曲线图。并且，所述人体损伤破坏报告中还包括爆炸冲击波作用时的人体抛射损伤效果图、流固耦合域内爆炸冲击波的变化规律示意图和不同时刻人体抛射距离的变化示意图。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、流体域模型建立：采用数据处理设备且调用三维建模软件建立流体域模型，所述流体域模型为待评估矿井的三维网格模型；
所述待评估矿井为煤矿井下巷道，所述待评估矿井分为两个巷道段；所述待评估矿井中存在瓦斯的巷道段为瓦斯巷道段，另一个所述巷道段为空气巷道段；所述待评估矿井的三维网格模型由瓦斯巷道段模型(1)和空气巷道段模型(2)组成，所述瓦斯巷道段模型(1)为所述瓦斯巷道段的三维网格模型，所述空气巷道段模型(2)为所述空气巷道段的三维网格模型；
步骤二、流-固耦合模型建立：采用所述数据处理设备且调用流体模型建模软件，对所述瓦斯巷道段模型和所述空气巷道段模型内的流体模型分别进行建立，获得所述待评估矿井的流-固耦合模型；再采用与所述数据处理设备连接的参数输入单元，对所述流-固耦合模型中起爆点的位置进行设定；
所述瓦斯巷道段模型内的流体模型为瓦斯流动模型(3)，所述空气巷道段模型内的流体模型为空气流动模型(4)；所述起爆点的位置为所述瓦斯巷道段模型的几何中心点；所述瓦斯流动模型(3)和空气流动模型(4)组成步骤一中所述流体域模型内的流场模型；
步骤三、人体损伤破坏评估，过程如下：
步骤301、评估位置设定：采用所述参数输入单元，对所述流-固耦合模型中的评估位置进行设定；
步骤302、人体模型添加：采用所述数据处理设备将预先建立的人体模型添加至步骤二中所述流-固耦合模型中，并使所述人体模型位于所述流-固耦合模型中的当前评估位置上；
步骤303、流固耦合数值计算：采用所述数据处理设备且调用流固耦合数值计算模块，对步骤302中添加所述人体模型后的所述流-固耦合模型进行流固耦合数值计算，获得流固耦合数值计算结果；
步骤304、人体损伤破坏评估：根据步骤303中获得的流固耦合数值计算结果，采用所述数据处理设备且调用人体损伤破坏评估模块，对所述流体域模型内当前评估位置处的人体损伤破坏状况进行评估，得出当前评估位置处的人体损伤破坏状况；
步骤305、下一个评估位置人体损伤破坏评估，过程如下：
步骤3051、评估位置更改：采用所述参数输入单元，对所述流-固耦合模型中的评估位置进行更改；
步骤3052、人体损伤破坏评估：按照步骤302至步骤304中所述的方法，对所述流体域模型内更改后的评估位置处的人体损伤破坏状况进行评估，得出更改后的评估位置处的人体损伤破坏状况；
步骤306、多次重复步骤305，直至完成所述流体域模型内多个不同评估位置处的人体损伤破坏状况评估过程，得出所述流体域模型内多个不同评估位置处的人体损伤破坏状况。
2.按照权利要求1所述的矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其特征在于：步骤一中进行流体域模型建立之前，需先采用测量设备对所述待评估矿井的所述瓦斯巷道段和所述空气巷道段的长度和横断面尺寸分别进行测量。
3.按照权利要求1或2所述的矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其特征在于：步骤302中所述人体模型为采用所述数据处理设备建立的三维网格模型；采用所述数据处理设备对所述人体模型进行建立时，调用MSC Dytran软件建立所述人体模型，并调用VPG软件设置所建立人体模型的应力应变参数和运动副，且调用LS-Prepost软件对所述人体模型的材料和状态方程进行设定，所述人体模型的材料为线弹性材料。
4.按照权利要求1或2所述的矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其特征在于：步骤一中所述三维建模软件为Proe5.0软件。
5.按照权利要求1或2所述的矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其特征在于：步骤301中进行评估位置设定时，需采用所述参数输入单元对所述流-固耦合模型中评估位置的地理位置信息和步骤302中所述人体模型在该评估位置处的倾斜角度分别进行设定；步骤3051中进行评估位置更改时，需采用所述参数输入单元对所述流-固耦合模型中更改过的评估位置的地理位置信息和步骤302中所述人体模型在更改过的评估位置处的倾斜角度分别进行更改。
6.按照权利要求5所述的矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其特征在于：步骤3051中进行评估位置更改时，所述数据处理设备调用LS-Prepost软件进行更改。
7.按照权利要求1或2所述的矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其特征在于：步骤二中进行流-固耦合模型建立时，所述数据处理设备调用LS-Prepost软件进行建立，所述瓦斯巷道段模型(1)内的流体模型为null模型，所述空气巷道段模型(2)内的流体模型为null模型；
步骤二中进行流-固耦合模型建立时，还需采用所述参数输入单元对所述起爆点的点火能量进行设定。
8.按照权利要求1或2所述的矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其特征在于：步骤303中进行流固耦合数值计算时，所述数据处理设备调用ANSYS/Ls-dyna软件进行计算；其中，所述流体域模型采用LS-Prepost软件进行设置；所述瓦斯巷道段模型(1)和空气巷道段模型(1)内的流体均采用ALE算法进行流固耦合数值计算，且所述人体模型采用Lagrange算法进行流固耦合数值计算。
9.按照权利要求1或2所述的矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其特征在于：步骤304中对所述流体域模型内当前评估位置处的人体损伤破坏状况进行评估时，先根据公式计算得出冲击环境下头部损伤的评价值HIC，公式(1)中，α为头部合成加速度，2.5为头部权重系数，t1为瓦斯爆炸冲击波作用于人体头部的起始时间，t2为瓦斯爆炸冲击波作用于人体头部的终止时间；再对步骤304中计算得出的冲击环境下头部损伤的评价值HIC进行阈值判断，并根据判断结果得出冲击环境下头部损伤的评价值Dr：当HIC≥1000时，Dr＝1；当HIC＜1000时，根据公式(2)，计算得出冲击环境下头部损伤的评价值Dr；获得冲击环境下头部损伤的评价值Dr后，完成所述流体域模型内当前评估位置处的人体损伤破坏状况评估过程。
10.按照权利要求1或2所述的矿井瓦斯爆炸冲击波对人体损伤破坏的仿真评估方法，其特征在于：步骤306中得出所述流体域模型内多个不同评估位置处的人体损伤破坏状况后，所述数据处理设备还需根据得出的所述流体域模型内多个不同评估位置处的人体损伤破坏状况，得出所述流体域模型内的人体损伤破坏报告，并对所得出的人体损伤破坏报告进行同步显示；
所述人体损伤破坏报告中包括所述流体域模型内多个不同评估位置处的人体损伤破坏状况。
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