Биомеханическое моделирование напряженного состояния черепа человека при ударе предметом цилиндрической формы

Abstract

Достаточно часто у жертв падений, дорожно-транспортных происшествий, нападений с применением бит и прутьев наблюдаются переломы черепа. Целью работы является определение напряженно-деформированного состояния головы человека, возникающего при ударном воздействии на основании конечно-элементного моделирования. Удар наносится во фронтальную область лобной кости средней частью и концом цилиндрического предмета (стержня), который различным образом ориентирован по отношению к франкфуртской плоскости. Модель головы включает эпидермис (кожу), костные структуры черепа, костные структуры нижней челюсти, глазные яблоки, зубы, мозговые оболочки (твердую, паутинную и мягкую мозговые оболочки), головной мозг (белое и серое вещество), мозжечок, стволовую часть мозга, мышцы и связки. Для описания элементов модели головы человека используются модели линейно упругого материала, вязкоупругого несжимаемого материала, упругопластического материала с учетом разрушения и гиперупругого материала. Глазные яблоки рассматриваются как абсолютно твердое тело. Расчет выполнен для различных значений начальной скорости цилиндрического предмета, соответствующих моменту его соприкосновения с кожным покровом головы. Установлено, что наиболее высокие напряжения и перемещения костных структур черепа возникают при ударе средней частью стержня по сравнению с ударом его концом. Ударное воздействие стержня приводит к наиболее высоким эквивалентным напряжениям, если стержень располагается под углом 60° к вертикали. Область максимальных напряжений расположена у пересечения сагиттального и коронарного швов, причем в большей степени существенные напряжения наблюдаются вдоль коронарного шва. Полученные результаты могут быть использованы для экспертов в области судебной экспертизы для оценки различных сценариев возникновения черепно-мозговой травмы и обоснования дальнейших судебно-медицинских расследований.