model for pulmonary response resulting from high rate loading … · 2016-10-04 · from high...

12
Abstract abstract Pulmonary contusion or Primary Blast Injury can result from exposure to blast overpressure. The development of improved protection requires the ability to evaluate pulmonary response at the tissue level. A detailed numerical torso model was developed and used to predict response and the potential for injury resulting from short duration loadings. Long duration blast loading (duration > 10ms) is not common; however, the associated injury data necessary for model calibration is the most consistent from various sources in the literature. The first version of the torso model was not able to consider long duration loading due to the large tissue deformations. To address this issue, a hyperelastic tissue model was integrated with a bulk model to address long duration loading. The model was evaluated for long duration overpressures to provide an injury threshold. This model was subsequently investigated for varying overpressures, demonstrating increased predicted injury with increased overpressure. Injury was predicted to decrease for decreasing duration below 10ms. Above 10ms, the injury prediction was relatively constant in agreement with experimental data, and explained by the wave transit time in the lungs. This study expands the range of applicability of a detailed thorax model to predict the potential for primary blast injury, and an enhanced constitutive model for lung tissue to include bulk effects has been proposed. Keywords lung contusion, Primary Blast Injury, bulk response, numerical blast model I. INTRODUCTION Pulmonary contusion injuries most commonly occur from blunt thoracic impacts, for example in vehicle collisions, and range from Moderate (AIS 2) to Critical (AIS 5) [1]. While less common, exposure to blast overpressure can cause contusion of lung tissue, commonly described as Primary Blast Injury (PBI) [2]. These contusion injuries can range from Serious (AIS 3) to Critical (AIS 5) [1]. Although the mode of loading varies between blunt impact and blast, the resulting pulmonary injury is generally accepted to be contusion, described as parenchymal damage occurring at the tissue level resulting in interstitial edema and capillary hemorrhage. PBI has been known for many years [2] and several methods currently exist to predict the potential for injury including correlations based on the blast wave transient pressure [2], analytical models based on experimentally measured data [3, 4], and numerical approaches [5]. All of these models have been validated or calibrated using animal test data, required due to the physiological nature of contusion response. Although primary blast injury to the lungs is often considered to be wellunderstood with respect to injury tolerance, there are differences in predicted tolerance level for short duration blasts (on the order of 1 to 10 ms in duration, Fig. 1, Fig. 2). Some of this may arise from the experimental tests. For example, very short duration blasts often require very close proximity to the explosive and was achieved in earlier tests using relatively small charges with small animals in close proximity [2]. Proximity and animal size are only two of many parameters that could lead to nonlinear results including the interaction and wraparound of the pressure wave. Importantly, there is relatively good agreement between many data sources regarding long duration blast loading (Fig. 2), and this data was used for the current study. The first and most widely referenced body of data and corresponding injury curves are attributed to Bowen and Richmond [2, 7] who related overpressure, the pressure exceeding atmospheric pressure, to primary blast injury. They undertook tests on a variety of animals in the late 60’s and early 70’s using controlled blast loading D.S. Cronin, Department of Mechanical and Mechatronics Engineering, University of Waterloo. Model for Pulmonary Response Resulting from High Deformation Rate Loading D S Cronin 1 IRC-11-53 Ircobi Conference 2011 - 181 -

Upload: others

Post on 13-Jul-2020

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Model for Pulmonary Response Resulting from High Rate Loading … · 2016-10-04 · from high explosives and shock tubes to demonstrate several important concepts: • Significant

Abstract  abstract   Pulmonary  contusion  or  Primary  Blast  Injury  can  result  from  exposure  to  blast  overpressure.  The 

development of improved protection requires the ability to evaluate pulmonary response at the tissue level. A detailed  numerical  torso model  was  developed  and  used  to  predict  response  and  the  potential  for  injury resulting from short duration loadings. Long duration blast loading (duration > 10ms) is not common; however, the associated  injury data necessary  for model calibration  is  the most consistent  from various sources  in  the literature. The first version of the torso model was not able to consider long duration loading due to the large tissue deformations. To  address  this  issue,  a hyperelastic  tissue model was  integrated with  a bulk model  to address  long duration  loading. The model was evaluated  for  long duration overpressures to provide an  injury threshold.  This  model  was  subsequently  investigated  for  varying  overpressures,  demonstrating  increased predicted  injury with  increased overpressure.  Injury was predicted to decrease for decreasing duration below 10ms. Above  10ms,  the  injury  prediction was  relatively  constant  in  agreement with  experimental  data,  and explained by  the wave  transit  time  in  the  lungs.  This  study  expands  the  range of  applicability of  a  detailed thorax model  to predict  the potential  for primary blast  injury,  and an enhanced  constitutive model  for  lung tissue to include bulk effects has been proposed. 

  Keywords  lung contusion, Primary Blast Injury, bulk response, numerical blast model    

I. INTRODUCTION Pulmonary  contusion  injuries most  commonly  occur  from  blunt  thoracic  impacts,  for  example  in  vehicle 

collisions,  and  range  from Moderate  (AIS  2)  to  Critical  (AIS  5)  [1]. While  less  common,  exposure  to  blast overpressure can cause contusion of  lung  tissue, commonly described as Primary Blast  Injury  (PBI)  [2]. These contusion  injuries  can  range  from Serious  (AIS 3)  to Critical  (AIS 5)  [1]. Although  the mode of  loading varies between blunt impact and blast, the resulting pulmonary injury is generally accepted to be contusion, described as parenchymal damage occurring at the tissue  level resulting  in  interstitial edema and capillary hemorrhage. PBI has been known for many years [2] and several methods currently exist to predict the potential for  injury including correlations based on the blast wave transient pressure [2], analytical models based on experimentally measured data [3, 4], and numerical approaches [5]. All of these models have been validated or calibrated using animal test data, required due to the physiological nature of contusion response. Although primary blast injury to the lungs is often considered to be well‐understood with respect to injury tolerance, there are differences in predicted tolerance level for short duration blasts (on the order of 1 to 10 ms in duration, Fig. 1, Fig. 2). Some of this may arise  from  the experimental  tests. For example, very  short duration blasts often  require very  close proximity to the explosive and was achieved in earlier tests using relatively small charges with small animals in close proximity  [2]. Proximity and animal  size are only  two of many parameters  that could  lead  to nonlinear results  including  the  interaction and wrap‐around of  the pressure wave.  Importantly,  there  is  relatively good agreement between many data sources regarding long duration blast loading (Fig. 2), and this data was used for the current study. 

The first and most widely referenced body of data and corresponding injury curves are attributed to Bowen and Richmond [2, 7] who related overpressure, the pressure exceeding atmospheric pressure, to primary blast injury. They undertook tests on a variety of animals in the late 60’s and early 70’s using controlled blast loading 

D.S. Cronin, Department of Mechanical and Mechatronics Engineering, University of Waterloo. 

Model for Pulmonary Response Resulting from High Deformation Rate Loading 

D S Cronin1   

IRC-11-53 Ircobi Conference 2011

- 181 -

Page 2: Model for Pulmonary Response Resulting from High Rate Loading … · 2016-10-04 · from high explosives and shock tubes to demonstrate several important concepts: • Significant

from high explosives and shock tubes to demonstrate several important concepts: • Significant injury or fatality could occur due to lung contusion resulting from exposure to blast • The extent and severity of injury depended on the magnitude and duration of the blast overpressure • At long durations, the probability of injury was related to the magnitude of the overpressure • Injury was only observed if the pressure wave was a ‘fast‐rising’ wave 

Based on this experimental data a series of injury curves were proposed using the static or side‐on pressure (Fig. 1.) and duration of the blast wave to predict injury (Fig. 2). It should be noted that the 50% probability of survival  curve  (LD50) was  based  on  the  experimental  data  (fatality within  24  hours  of  exposure), while  the threshold, 1% and 99% lethality curves were inferred from the data. The LD50 long duration overpressure was 248 kPa.  

1

10

100

1000

10000

0.1 1 10 100 1000 10000

Overpressure (kPa)

Duration (ms)

ThresholdLD1LD50LD99

Long DurationShort Duration

Fig. 1: Bowen injury curves (adapted from [6])         Fig. 2: Bowen injury curves (adapted from [2])        Subsequent studies by Stuhmiller et al  [3, 8] utilized additional test data, primarily on goats, to develop an 

analytical  model  based  on  normalized  work  [3],  which  used  the  pressure‐time  measurements  from  an experimental device known as the Blast Test Device (BTD) for input. The BTD is a right circular cylinder with four evenly  spaced  flush‐mounted  pressure  transducers  around  the  circumference.  Stuhmiller  developed  a mathematical model using the proposed normalized work to predict injury for unprotected simple and complex loading cases, correlated to blast field measurements using pressure histories from a BTD. The normalized work value was correlated to  lung  injury by first performing tests on animals (sheep  in this case) and repeating the test with  the  BTD.  The  level  of  injury was  correlated  to  the  normalized work  values  determined  from  the pressure gauges. This model is used in a propriety computer program (Injury 8.2) to predict injury.  Axelsson has also proposed a mathematical model for blast injury using a non‐linear differential equation to 

represent deformation of the torso based on the applied pressure (measured using the BTD) and validated using blast tests with sheep [4]. Axelsson correlated peak inward chest wall velocity ranges with injury: 3 – 4.5 m/s for threshold  lung damage, 8 – 12 m/s  for LD1 and 12 – 17 m/s  for LD50, with a chest wall velocity of 12.8 m/s corresponding to 50% lethality.  More recently, Bass et al [9] and Rafaels et al [10] have reviewed a  larger set of data and proposed revised 

pressure‐duration  injury  tolerance  curves.  In  particular,  one  study  focused  on  a  re‐analysis  of  existing  data supplemented with new data to identify the injury risk associated with exposure to long duration blast waves, defined as blast waves exceeding 10ms in duration. The corresponding LD50 value was approximately 200 kPa overpressure [10]. 

The prediction of response to blast loading is essential for the development of improved blast protection [6, 11]. Blast  injuries  to  the human body  include  fragmentation, global motion of  the body, burn,  inhalation and other effects. PBI refers to  injuries caused by  interaction of the blast wave with the human body, and affects gas‐containing organs  such as  the  lungs,  tympanic membrane and gastro‐intestinal  tract  [2].   This  injury  is a consequence of  impedance  coupling between  the  stress wave and  tissue, and  is of  significant  importance  in cases where the human body  is unprotected. A shock or blast wave  is generated by the detonation of a high 

t (s)

Pressure Blast (Short Duration) Loading

Shock Tube or Long Duration Loading

Patm

P (kPa)

IRC-11-53 Ircobi Conference 2011

- 182 -

Page 3: Model for Pulmonary Response Resulting from High Rate Loading … · 2016-10-04 · from high explosives and shock tubes to demonstrate several important concepts: • Significant

explosive  which  can  be  considered  as  a  nearly  instantaneous  transformation  of  the  explosive  to  a  highly compressed gas. Expansion of  these high pressure gases  into a  lower pressure medium  such as air creates a shock  wave  that  propagates  through  the  quiescent  air  represented  by  a  discontinuous  jump  in  pressure, density, velocity and internal energy. A discontinuity in density, known as the contact surface, follows the shock wave and  is  the boundary between  the explosive detonation products and air  [12].   Although  this can be an important consideration for very close proximity blast loading, the current study is focused on interaction of the effects  of  the  blast wave  at  greater  standoff  distances.  Future  studies will  investigate  the  effects  of  close proximity blast. The  impact  interaction of a blast wave on with a deformable body may  lead  to deformation which in turn affects the blast wave (fluid) flow.  This coupled effect may be significant in terms of the overall response  of  the  structure,  particularly  when  considering  complex  blast  environments  where  the  loading duration may be relatively long.   

Several numerical approaches have been considered to  investigate the effect of blast waves on animals or humans [5, 13, 14]. The primary challenges for these models include appropriate application of the blast load, and incorporation of the mechanical properties required to predict response of the tissues and the potential for injury. Detailed thorax models have been developed, primarily  in the automotive community and some  in the blast community to predict thoracic response, and a limited number have investigated pulmonary response and the  potential  for  injury  [15].    However,  full  three‐dimensional  models  of  the  torso  are  computationally prohibitive  to  implement  due  to  the  required  mesh  refinement  required  to  accurately  resolve  shock propagation  through  the  torso.  Some  challenges  for  existing models  include  the  ability  to  account  for body orientation with respect to the blast wave [16], the incorporation of protection [6], and the ability to consider complex‐shaped blast waves or blasts occurring within enclosures. Notwithstanding these important issues, all detailed  finite  element  models  must  include  representative  constitutive  description  of  the  constituent materials. Although  the existing models have been calibrated using experimental measurements of  the blast field with injury to animal subjects, they are somewhat limited in that pressure measurements behind personal protection are inherently challenging to interpret, and the methods have not been verified for this situation. In order to predict the effectiveness of blast protection, an appropriate predictive model is necessary. This led to the  development  of  a  human  torso  numerical  model  and  prediction  of  injury  at  the  organ  level  for  the evaluation of protection concepts.  

The model used in this study has been applied successfully to investigate primary blast injury resulting from applied blast loading [5], the effects of body orientation on predicted injury [16] and the effect of protection on primary  blast  injury  [6,11].  An  explicit  finite  element  code  (LS‐Dyna,  LSTC)  with  a  coupled  Eulerian model representing the blast flow was incorporated  with a Lagrangian model of the torso.  

The torso model included the thoracic cage, lungs and mediastinum with tissue material properties from the literature and  rate dependent  tissue models  [5,17]. The geometry of  the model  (Fig. 3) was based on a mid‐sternum section (transverse plane between the 5th and 6th thoracic vertebrae) of an approximate 50th percentile male  [5].  The  torso  depth  (230mm)  was  in  good  agreement  with  the  literature  for  a  50th  male  subject (298.5mm). The model  included  layers of elements to simulate the ribs, and  layers to simulate the  intercostal tissues, with  the  simplification  that  the  ribs  occurred  in  the  transverse  plane. However,  static  compression simulations of the individual rib showed that this effective rib provided the correct force‐displacement response [18].  Previous  studies  have  investigated  the  required  mesh  density  for  a  consistent  prediction  was approximately 2.5 mm  [17].  The  current model  included  a mesh  size of  approximately 2mm with  a  total of 33,312 solid elements.  

The blast flow was coupled to the torso using a penalty coupling algorithm. A study of the ALE approach to model  shock  and  expansion  waves  showed  that  this  method  produced  excellent  results  in  terms  of  the magnitude and transients when the mesh size was 0.5 mm [19]. For the current study, it was found that a mesh size of 2mm in the area of interaction with the torso was sufficient to produce consistent results. The element size was graded away  from  this  zone  for  computational efficiency.  It  should also be noted  that  the  coupling algorithm required the mesh density of the torso and air to be comparable to avoid leakage of the air through the  torso model.  For  the  current  study,  the  air model was  increased  in  size  (Fig.  4,  total  of  177944  solid elements)  to  avoid  interaction with  the model  boundaries.  This  allowed  for  a maximum  simulation  time  of approximately 16 ms before reflected waves from the blast wave source reached the torso model. 

  

IRC-11-53 Ircobi Conference 2011

- 183 -

Page 4: Model for Pulmonary Response Resulting from High Rate Loading … · 2016-10-04 · from high explosives and shock tubes to demonstrate several important concepts: • Significant

 

 Fig. 3: Exploded view of torso model [L] and Visible Human Project image [R]    

 Fig. 4: Detailed torso model coupled to blast model, original model [L], current model [R]   

There is a great deal of literature on the subject of the mechanical properties of lung tissue, and the evaluation of  lung  injury  [20, 21, 22].  For  the  current  study,  the deformational or deviatoric properties were based on those proposed by Yuen [21] as implemented in the lung tissue model proposed by Vawter (Eqn. 1). In the case of high rates of loading, the bulk response of the tissues, lung tissue in particular, is important in the predicted response  while  at  lower  rates  and  larger  deformations  the  deviatoric  and  viscous  properties  are  more important.  The torso model, previously used for short duration loading, did not include deviatoric response for the lung and this was found to be important for long duration loading where larger deformations could occur. Similarly, the hyper‐viscoelastic constitutive model from Vawter (Eqn. 1) included a linear bulk modulus and was not suitable for larger overpressures. 

 

1)(34],1[

)1(12

2),( 21

2)1(

2

1)(21

2221 −+=−

+Δ+

Δ= ++ IIAA

CCeCIIW CII βα                                  (1) 

 Where 

W = Strain energy per unit volume I1, I2= Strain invariants C, α, β = Material constants;  C=1.15x10‐3 MPa, α=0.213, β=‐.343 C1, C2= Surface tension constants;  C1=1.002x10

‐3 MPa, C2=2.040     Δ= Typical unstressed alveolar diameter;  Δ=1.00x10‐1 mm 

IRC-11-53 Ircobi Conference 2011

- 184 -

Page 5: Model for Pulmonary Response Resulting from High Rate Loading … · 2016-10-04 · from high explosives and shock tubes to demonstrate several important concepts: • Significant

 This material model incorporated bulk effects using a constant bulk modulus, a common assumption for many materials. However,  in  the case of  lung  tissue  the measured wave  speed and corresponding bulk modulus  is relatively low. For example, the acoustic wave speed in air is approximately 343 m/s at 20C and 1 atmosphere of pressure. The wave speed in soft tissues is approximately 1500 m/s. However, the experimentally measured wave  speed  in  lung  tissue  varies  from  20  to  60  m/s  depending  on  the  species  and  conditions  such  as transpulmonary pressure. 

Equations of state provide relationships between pressure, volume and internal energy and are necessary to predict material response if the material exhibits a non‐linear bulk response or undergoes significant volumetric compression. Several common equations of state (EOS) exist  including the Gruneisen EOS  (Equation 2), which was used to represent the lung material properties in the original torso model. In this equation, the pressure is a function of the non‐linear material bulk modulus (first term  in equation 2) and the volumetric work (second term in equation 2).  Parameters for this equation are available for a wide range of materials [23], and the rule of mixtures can be used to determine the constants for combinations of materials [24].   An equation of state may also be incorporated using a non‐linear bulk modulus, which is a function of volumetric compression. 

  

Ea

SS

aCp )(

)1()1(1

]2

)2

1(1[02

2

2

21

2020

μγ

μμμ

μμγ

μρ++

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+

−−−

−−+=                                  (2) 

 Where 

p = Pressure (Pa) ρ0= Density (kg/m

3);  ρ0=288 kg/m3 

    C= Acoustic wave speed (m/s); C=26.1 m/s     μ= ρ / ρ0‐1 

    ϒ0= Gruneisen Gamma; ϒ0=1.618     E = Specific internal energy (J/m3)     a = First order correction (not used in the current model)     S1, S2,S3= Slope coefficients for the particle‐shock velocity curve; S1=1.309   The goal of the current study was to use a detailed coupled thorax‐blast model to  investigate  long duration 

loading  for  the  purpose  of  further  validating  the  model,  since  there  is  good  agreement  in  the  research community regarding human tolerance to  long duration  (> 10 ms) blast  loading.  Initial  investigations with the original model demonstrated that it was not stable beyond 8‐10 ms due to large deformations in the elements. In a similar fashion, when the Vawter equation with a constant bulk modulus was considered, the model was unstable at higher  incident pressures due to the  lack of an equation of state, and required an artificially high linear bulk modulus. To address these issues, an equation of state was integrated with the Vawter equation to extend the current model to long duration blast loading.  

II. METHODS 

The available experimental data for lung tissue properties were reviewed and the deviatoric properties were incorporated  in  the  Vawter model  (Eqn.  1)  following  Yuen  [21].  The  bulk  properties  of  lung  tissue  play  an important  role  in  the  overall  response  of  lung  tissue  to  insult.  In  particular,  the  low  acoustic wave  speed resulting from the low volumetric stiffness of the gaseous constituent and high density of the tissue constituent creates nonlinear bulk behavior at the pressures experienced under typical blast loading conditions.  

Lung tissue presents an interesting challenge in terms of bulk properties since it consists of tissue, fluid and air.  Several studies have been undertaken on two‐phase flow (bubbly water) [24] and this provided a basis for 

IRC-11-53 Ircobi Conference 2011

- 185 -

Page 6: Model for Pulmonary Response Resulting from High Rate Loading … · 2016-10-04 · from high explosives and shock tubes to demonstrate several important concepts: • Significant

the estimation of bulk material properties from the constituent materials. From a bulk perspective, the tissue and fluid can be considered to have bulk properties comparable to those of water, with the second constituent being  air.  The  relevant  properties  for  each material  are  listed  in  Table  1. When  combined  using  a  rule  of mixtures [2] and the conservation equations [23], the resulting macroscopic bulk properties for lung tissue can be  determined.  The  results  of  this  analysis  were  used  to  include  nonlinear  bulk  effects  through  the incorporation of an equation of state for the lung tissue.  

The resulting equations were incorporated into a special version of LS‐Dyna version 971 R4.2.1 (LSTC) using a commercial Fortran  complier  (Intel  Fortran Version 11). The  constitutive model  implementation was verified using single element test cases compared to the experimental test data.   Table 1: Properties of air and tissue (water) for rule of mixtures analysis Air Co 343 m/s

S1 1.03 (‐)Density 1.204 kg/m^3v0 1 (‐)gamma 1.400 Cp/CvP1 101325 PaT 20 C 

Water Co 1485 m/sS1 2.00 (‐)Density 998.2 kg/m^3  

 The thorax model,  including the revised material model, was subjected to different blast  load scenarios to 

evaluate  lung  response.  The  model  response  was  compared  to  the  previous  model  and  found  to  be  in agreement  for short duration  loads when no deviatoric properties were  included  in  the Vawter model.  Initial analyses  were  undertaken  with  long  duration  (greater  than  10ms)  blast  loads  to  verify  the  model  injury predictions and evaluate the injury metrics.  

A series of blast load scenarios were then evaluated using the torso model including the deviatoric and bulk properties for the lungs. The specific effects investigated using the model included: 

• Predicted response for long duration (>10 ms) fast‐rising incident pressure waves with 248 kPa and 200 kPa overpressures. 

• The  effect  of  blast  load  duration  for  fast‐rising  incident  pressure waves with  248  kPa  and  200  kPa overpressures. 

In all cases,  the blast  loading was constant overpressure  for  the prescribed duration,  typical of  long duration pulses. The response was evaluated by tracking the peak dynamic pressure in the lungs, based on previous studies of 

lung response [5,15,17]. 

III. RESULTS Application of the rule of mixtures and conservation equations using the data in Table 1 provided estimates of 

the bulk properties  for  lung  tissue assuming a density of 288 kg/m3. One  interesting aspect of  this analysis  is that the predicted wave speed in lung is quite low relative to other materials, and in particular with respect to the constituent materials. The predicted wave speed for a density of 288 kg/m3 was 26.3 m/s (Fig. 5) and was relatively constant across a range of volume ratios except at the extremes corresponding to a single constituent.     

IRC-11-53 Ircobi Conference 2011

- 186 -

Page 7: Model for Pulmonary Response Resulting from High Rate Loading … · 2016-10-04 · from high explosives and shock tubes to demonstrate several important concepts: • Significant

1.00E+05

1.00E+06

1.00E+07

1.00E+08

1.00E+09

1.0

10.0

100.0

1000.0

10000.0

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Bulk M

odulus (Pa)

Wave Spee

d (m

/s)  or  D

ensity (kg/m

^3)

Porosity (air density/tissue density)

Wave Speed

Density

Bulk Modulus

 Fig. 5: Predicted wave speed as a function of porosity (volume ratio) for lung tissue (vertical line=288kg/m3)  The  resulting bulk properties were  integrated with  the Vawter  constitutive model using a non‐linear bulk 

modulus.  It  should  be  noted  that,  in  this  first  implementation  the  nonlinear  bulk  effects were  introduced through the use of a nonlinear bulk modulus which effectively captured both the material and volumetric work portions of the bulk response. Future efforts will involve integration of the Gruneisen equation of state with the Vawter model. The resulting model was  integrated and compiled  into an explicit finite element code (LS‐Dyna Version 971V4.2.1, LSTC 2010). Single element models were used to evaluate the material model response  in tension,  compression  and  confined  compression  (pressure  versus  relative  volume,  Fig.  6)  and were  in  good agreement between the original Gruneisen model and the new model.  

 

0.00E+00

1.00E+05

2.00E+05

3.00E+05

4.00E+05

5.00E+05

6.00E+05

7.00E+05

8.00E+05

0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

Pressure (Pa)

Relative Volume (‐)  Fig. 6: Pressure versus relative volume for the lung model, demonstrating nonlinear bulk response  The thorax model was  investigated using  long duration  loading, with the baseline case defined as a 248 kPa overpressure with 15 ms duration, corresponding to the LD50 value presented by Bowen (Fig. 2). Propagation and  interaction of the blast wave with the torso (Fig. 7) demonstrates the reflected pressure at the front of the  torso  at  2.5‐3.0ms,  followed  by  development  of  the  flow  around  the  torso  up  to  5.0 ms.  An  image showing  the  overpressure  predicted within  the  lung  (Fig.  8)  identifies most  of  the  injury  to  occur  in  the anterior portion of the  lungs, similar to that predicted for short duration  loading [5], and also demonstrates the potential for injury behind the intercostal tissue (Fig. 8, right side, circled) which is unique to blast injury. The amount of injury was defined as the lung overpressure corresponding to 18% volume of the lung model. This  has  been  identified  as  a  threshold  based  on  lung  weight  corresponding  to  LD50  in  animal  studies 

IRC-11-53 Ircobi Conference 2011

- 187 -

Page 8: Model for Pulmonary Response Resulting from High Rate Loading … · 2016-10-04 · from high explosives and shock tubes to demonstrate several important concepts: • Significant

[Stuhmiller].   

         0.0 ms                   2.0 ms                   2.5 ms                 3.0 ms            

   3.5 ms                   4.0 ms                   5.0 ms                  10.0 ms 

Fig. 7: Time sequence of blast load interaction with the torso (248 kPa overpressure)    

 Fig. 8: View of maximum dynamic pressure contours for LD50 load case   Following initial verification of the model and calibration of the injury threshold, analysis was undertaken to 

investigate response at other levels of blast loading (Fig. 9) based on the predicted volume of injured tissue. This included data normalized to the  long duration  injury criterion proposed by Bowen (248 kPa overpressure) and by Rafaels (200 kPa overpressure). Fig. 10 shows the predicted injury as a function of blast load duration. Unlike short duration blast loading, where the thorax compression is relatively small, long duration loads can 

lead  to  significant  compression  and  significant  global  displacement  of  the  torso  later  in  time  (Fig.  11).  The thorax velocity was also compared to the Axelsson criterion (LD50 for chest velocity greater than 12.8 m/s) (Fig. 12). 

IRC-11-53 Ircobi Conference 2011

- 188 -

Page 9: Model for Pulmonary Response Resulting from High Rate Loading … · 2016-10-04 · from high explosives and shock tubes to demonstrate several important concepts: • Significant

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

0.0E+00 1.0E+05 2.0E+05 3.0E+05 4.0E+05 5.0E+05

Volum

e (%

)

Overpressure (Pa)

Predicted Injury (LD50 248 kPa)

Predicted Injury (LD50 200 kPa)

 Fig. 9: Predicted injury versus blast overpressure for long duration (15 ms) blast loads  

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

18.0

20.0

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0

Volum

e (%

)

Overpressure Duration (ms)

 Fig. 10: Predicted injury for varying blast durations (248 kPa overpressure)  

‐5.0

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

0 2 4 6 8 10 12

Thorax Com

pression

 Velocity (m

/s)

Time (ms)

Compression Velocity

Anterior Velocity

Posterior Velocity

 Fig. 11: Anterior and posterior compression velocity of the thorax (248 kPa overpressure)  

IRC-11-53 Ircobi Conference 2011

- 189 -

Page 10: Model for Pulmonary Response Resulting from High Rate Loading … · 2016-10-04 · from high explosives and shock tubes to demonstrate several important concepts: • Significant

 

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

0.00E+00 1.00E+05 2.00E+05 3.00E+05 4.00E+05 5.00E+05

Thorax Velocity (m

/s)

Thorax Com

pression

 (mm)

Overpressure (kPa)

Maximum Thorax Compression

Maximum Thorax Compression Velocity

Maximum Anterior Thorax Velocity

12.8 m/s @ 248 kPa

 Fig. 12: Thorax response for varying overpressures, compared to Axelsson LD50 value   

IV. DISCUSSION A  detailed  coupled  torso  and  blast model was  enhanced  to  evaluate  long  duration  blast  loads,  typically 

defined as having durations longer than 10 ms. Enhancements included a larger surrounding air model to avoid wave reflections between the blast wave source and torso, refinement of the air material model, verification of the representative rib force versus deflection, and implementation of an enhanced lung tissue model. The lung constitutive model implementation was verified using single element test cases compared to the experimental test data. The expected hyper‐viscoelastic  response and  the nonlinear bulk  response were demonstrated. At short durations,  the response of  the  torso model with  the new constitutive model was similar  to  the original model, which incorporated only bulk material properties. However, at longer durations the original model was not numerically stable due to large element deformations so that long duration loading could not be evaluated. It was noted that there was some leakage of the air material into the lung material at higher overpressures and this will be evaluated for the next version of this model.  

The thorax model was subjected to different blast load scenarios to evaluate lung response. Initial analyses were  undertaken  with  long  duration  (greater  than  10ms)  blast  loads  to  evaluate  injury  as  a  function  of overpressure. As expected, the predicted injured volume increased with increasing overpressure. The effect of blast  duration was  investigated  (Fig.  10)  and  demonstrated  increasing  predicted  injured  tissue  volume with increased  duration,  up  to  approximately  10  ms.  Beyond  this  value,  the  predicted  injury  was  constant, corresponding to the LD50 threshold, in agreement with experimental results [2,10]. For the long duration LD50 threshold  defined  by  Bowen  (248  kPa  overpressure,  Fig.  7),  the  torso  was  found  to  reach  maximum compression velocity of 9.4 m/s, defined as the velocity difference between the anterior and posterior of the torso, approximately 1.5 ms after first contact by the blast wave (Fig. 11). For comparison, the absolute values of the anterior and posterior velocities were investigated (Fig. 11, Fig. 12) and the anterior velocity at 248 kPa overpressure  (14.11 m/s) was  found  to be  reasonably  consistent with  the  LD50  value proposed by Axelsson (>12.8m/s).  This  is  likely  more  comparable  to  the  Axelsson  model  since  it  did  not  include  global  body acceleration,  a  reasonable  assumption  for  shorter  duration  loading.  The  chest wall  velocity  increased with increasing overpressure, as did the maximum compression of the torso (Fig. 12), occurring around 8 ms when the  anterior  and  posterior  velocities were  equal.  It was  also  noted,  based  on  the  stress wave  transmission through the lungs, that the wave traversed the lungs (anterior to posterior) in approximately 7 to 8 milliseconds due  to  the  low wave speed  in  this  tissue.   Fig. 10 suggests  that  the  transition  to  long duration  loading could begin around 6 ms; however,  this  is based on  the dynamic  lung pressure metric, which  still  requires  further 

IRC-11-53 Ircobi Conference 2011

- 190 -

Page 11: Model for Pulmonary Response Resulting from High Rate Loading … · 2016-10-04 · from high explosives and shock tubes to demonstrate several important concepts: • Significant

evaluation. The predicted chest wall kinematics and  lung wave propagation  times are  in agreement with  the currently accepted value of 10ms for long duration loading.    

V. CONCLUSIONS  

The development of enhanced protection requires improved knowledge of human body response to blast. The benefits of a detailed coupled torso model  include the ability to evaluate different types of  loading,  including non‐traditional  blast  loading  and  protection.  One  of  the  primary  limitations  of  the  original model was  the inability  to  provide  response  predictions  for  long  duration  loading.  Although  long  duration  loading  is  not common, this was considered important since the most consistent experimental data between different sources is for  long duration (> 10ms) blast  loading. To address this  limitation, the detailed thorax and blast model was enhanced  to  include a  larger  surrounding air mesh,  refinement of  the air material model, verification of  the representative  rib  force  versus  deflection,  and  implementation  of  an  enhanced  lung  tissue model.  The  lung constitutive model implementation was verified using single element test cases.  Long duration LD50 blast loading was applied to the torso model (248 kPa from [2] and 200 kPa [10]) and the 

response was evaluated by  tracking  the predicted peak dynamic pressure  in  the  lung  tissue. This metric has been used in previous versions of this model and provided good correlation to expected injury and sensitivity to the presence of protection. However, further analysis of the existing experimental data is required to verify this as  an  injury metric.  The  proposed  dynamic  pressure  threshold  corresponding  to  injury was  comparable  to values  from previous models.  The  volume of  tissue  exceeding  the  LD50  threshold  increased with  increasing blast  overpressure  for  long  duration  blast  loading.  Importantly,  the  volume  of  tissue  exceeding  the  LD50 threshold decreased for short duration blast loading, but was relatively constant for long duration loading. This was explained by the wave speed in the lung tissue and the time to maximum compression of the thorax was of comparable duration.   The  proposed  enhancements  to  this model  extend  the  capabilities  to  long  duration  loading  and  provide expected response based on the dynamic overpressure in the lungs. The primary limitation of the current study is the need for further validation across a wider range of loading. Future studies will investigate short duration loading with a corresponding analysis of the existing blast data in the literature. A gap identified in the literature is the need for additional mechanical test data for lung tissue, particularly at 

higher rates of strain. For the current study the tissue deformations were generally small for most  load cases considered. The prediction of  lung contusion based on an  injury metric provided a good correlation with  the existing data; however, more detailed data  regarding  the  specific  location of  the  injuries within  the  lungs  is needed.  Lastly,  the  current  model  uses  a  continuum‐level  approach  to  model  the  lung  tissue.  Further investigation  of  the  injury mechanism  using multi‐scale modeling  approaches  should  be  undertaken  in  the future. 

VI. ACKNOWLEDGEMENT 

The author would  like  to  thank NSERC  for  supporting  this work and  LSTC  for advice  in  implementing and compiling the finite element code. 

VII. REFERENCES   [1] AIS. Abbreviated Injury Scale (AIS). Morton Grove, Illinois : American Association for Automotive Medicine, 

2005.  [2] Bowen, I., Fletcher, E., & Richmond, D.(1962). Estimate of Man’s Tolerance to the Direct Effects of Air Blast. 

Technical Report, DASA‐2113. Defense Atomic Support Agency, Department of Defence, Washington, D.C. [3] Stuhmiller, J., Ho, K., Vorst, M., Dodd, K., Fitzpatrick, T, Mayorga, M., 1996, “A model of blast overpressure 

injury to the lung”, J. Biomech. 29, p.227‐234 [4] Axelsson, H., Yelverton,  J.T.,  “Chest wall velocity as a predictor of non‐auditory blast  injury  in a  complex 

wave  environment,”  7th  International  symposium  of  weapons  traumatology  and  wound  ballistics,  St. Petersburg, Russia, 1994. 

[5] Cronin, D.S., Greer, A., Williams, K.V. and Salisbury, C., “Numerical modeling of blast trauma to the human torso”, Personal Armour Systems Symposium, PASS 2004, The Hague, The Netherlands, September 2004. 

IRC-11-53 Ircobi Conference 2011

- 191 -

Page 12: Model for Pulmonary Response Resulting from High Rate Loading … · 2016-10-04 · from high explosives and shock tubes to demonstrate several important concepts: • Significant

[6] Thom, C.G. and Cronin, D.S., “Blast Loading Amplification and Attenuation by Fabric Materials and the Effect on Primary Blast Injury”, Personal Armour Systems Symposium, PASS 2010, Quebec City, Canada, September 2010. 

[7] Richmond, D.R., Damon, E.G., Fletcher, E.R., Bowen,  I.G., White, C.S., “The  relationship between  selected blast‐wave  parameters  and  the  response  of  mammals  exposed  to  air  blast,”  Annals  of  the  New  York Academy of Sciences, 1968, Vol. 152, pp. 103‐121. 

[8]  Stuhmiller,  J.,  “Biological  response  to  blast  overpressure: A  summary  of modeling,”  Toxicology, Vol.  121 (1997) 91‐103. 

[9] Bass, C.R., Rafaels,  K.,  Salzar, R.,  “Pulmonary  Injury Risk Assessment  for  Short‐Duration Blasts,” Personal Armour Systems Symposium (PASS) 2006, Leeds, United Kingdom, September 2006. 

[10] Rafaels, K., Bass, C.R., Panzer, M., Salzar, R., “Pulmonary Injury Risk Assessment for Long‐Duration Blasts: A Meta‐Analysis”, Journal of Trauma, Volume 69, Number 2, 2010. 

[11] Salisbury, C.P., Cronin, D.S., Bouamoul, A., Ouellet, S., Williams, K.V., “Numerical  Investigation of Primary Blast Injury Protection Concepts”, Personal Armour Systems Symposium, Leeds, United Kingdom, September 18‐22, 2006. 

[12] Smith, P. and Hetherington,  J., Blast and ballistic  loading of  structures  (Butterworth‐Heinemann, Oxford, Boston, 1994) 

[13] Stuhmiller,  J., Chuong, C., Phillips, Y., Dodd, K., “Computer modeling of  thoracic  response  to blast,” The Journal of Trauma, Vol. 28, No. 1 Supplement, 1988. 

[14] Merkle,  A.,  Roberts,  J., Wing,  I., Wickwire, A.,  “Evaluation  of  an  Instrumented Human  Surrogate  Torso Model  in  Open  Field  Blast  Loading”,  International  Mechanical  Engineering  Congress  &  Exposition, IMECE2009, November 13‐19, Lake Buena Vista, Florida, USA. 

[15] Yuen, K. and Cronin, D.S., “Comparison of Lung Response and Thoracic Injury Metrics”, World Congress of Biomechanics WCB 2010, Aug 1‐6, 2010, Singapore. 

[16] Josey, T., Cronin, D.S., Salisbury, C.P., Williams, K.V., “The Effect of Blast Load Conditions On Lung Injury”, 5th  World  Congress  of  Biomechanics,  Munich,  Germany,  July  29‐August  4,  2006.  Citation:  Journal  of Biomechanics 2006; Vol. 39 Suppl. 1, page S163. 

[17] Greer, A., Cronin, D., Salisbury, D., and Williams, K., Finite Element Modeling  for  the Prediction of Blast Trauma,    IUTAM Proceedings on  Impact Biomechanics: From Fundamental  Insights  to Applications,  (2005) 263–271. 

[18] Charpail E, Trosseille X, Petit P, Laporte S, Lavaste F, Vallancien G. Characterization of PMHS Ribs: A New Test Methodology. Stapp Car Crash J. 2005;49:183‐98. 

[19]  Salisbury,  C.    Investigation  of  the  Arbitrary  Lagrangian‐Eulerian  Formulation  to  Simulate  Shock  Tube Problems, 8th International LS‐DYNA User's Conference, Detroit, MI (2004). 

[20] Gayzik F.S., Hoth J.J., Daly M., Meredith J.W., Stitzel J.D., 2007. “A Finite Element‐Based  Injury Metric for Pulmonary Contusion: Investigation of Candidate Metrics through correlation with computed tomography,” Proceedings of 51st Stapp Car Crash Conference, p189‐209. 

[21] Yuen, K., “The Development of a Numerical Human Body Model for the Analysis of Automotive Side Impact Lung Trauma”, MASc Thesis, University of Waterloo, 2009 

[22]  Vawter  D.L.,  1980.  “A  Finite  Element  Model  for  Macroscopic  Deformation  of  the  Lung,”  Journal  of Biomechanical Engineering, V102. 

[23] Meyers, M.A., Dynamic Behavior of Materials, John Wiley & Sons, Inc., Toronto, 1994. [24]  Wilbeck,  J.S.,  “Impact  Behavior  of  Low  Strength  Projectiles”,  AIR  FORCE  MATERIALS  LAB  WRIGHT‐

PATTERSON AFB OH, 7/1978.           

IRC-11-53 Ircobi Conference 2011

- 192 -