Ada 370880wd

Embed Size (px)

Citation preview

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    1/62

    NAVAL 

    POSTGRADUATE SC HO O L  

    M O N T E R E Y,

     

    CALIFORNIA

     

    THESIS 

    B IO M E C H A N IC A L

     M O D E L

     

    O F

     

    TH E H U M A N T H O R A X FO R  

    IMPACT ANALYSIS  

    by 

    Timothy

     A. Hughes

     

    September 1999 

    Thesis Advisor:

     

    Young

     W . 

    Kwon 

    Approved for public 

    release;

     distribution is unlimited. 

    «HO 

    QUALITY 

    IMSPEc^. 

    ©4 

    1 9 9 9 1 1 2 6

     

    0 2

     

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    2/62

    REPORT DOCUMENTATION 

    PAGE 

    Forni 

    Approved OM B

     

    No . 

    0704-0188

     

    Public 

    reporting

     burden

     

    for

     

    this

     

    collection

     of

     information is

     

    estimated 

    to

     average

     hour

     

    per

     response, including

     

    the

     

    time 

    for

    reviewing instruction,

     

    searching

     

    existing data 

    sources, gathering an d maintaining the data 

    needed,

     an d completing an d reviewing the  collection  of 

    information.

     

    Send

     

    comments

     regarding this burden 

    estimate

     or any  

    other aspect 

    of

     this

     

    collection

     of

     

    information, including

     suggestions

     

    for  reducing

     

    this 

    burden,

     

    to 

    Washington Headquarters

     

    Services,

     

    Directorate for

     

    Information 

    Operations

     

    an d

     

    Reports,

     

    1215

     

    Jefferson

     

    Davis

     

    Highway,

     

    Suite

     

    1204,

     

    Arlington,

     

    VA

     

    22202-4302,

     

    an d

     to

     

    the

     

    Office

     of

     

    Management

     

    an d

     

    Budget,

     

    Paperwork

     

    Reduction 

    Project

     (0704-0188) Washington 

    DC

     20503.

     

    1 . AGENCY USE ONLY  Leave blank) 

    2.

     

    REPORT

     DATE 

    September 

    1999

     

    3.

     REPORT

     TYPE

     AN D DATES COVERED 

    Master's Thesis 

    4.

     TITLE 

    AN D

     SUBTITLE: 

    BIOMECHANICAL M ODEL

     

    OF THE H U M A N THORAX FOR IMPACT 

    ANALYSIS 

    6.

     AUTHOR(S)

     

    Hughes,

     Timothy

     A.

     LT/USN

     

    5.

     UNDING NUMBERS

     

    7. PERFORMING  ORGANIZATION NAME(S) AN D ADDRESS(ES)

     

    Naval Postgraduate School 

    Monterey 

    CA

     93943-5000

     

    8.

     PERFORMING 

    ORGANIZATION

     

    REPORT

     

    NUMBER

     

    9. SPONSORING/MONITORING

    AGENCY 

    NAME(S) AND  ADDRESS(ES) 

    10. SPONSORING/MONITORING

     

    AGENCY REPORT

     

    NUMBER 

    11 . 

    SUPPLEMENTARY

     NOTES

     

    The views

     expressed 

    here

     

    are

     

    those

     

    of  the

     

    authors and do 

    not

    reflect the official policy 

    or

     

    position of  

    the 

    Department

     of  

    Defense 

    or the

     

    U.S.

     

    Government. 

    12a. 

    DISTRIBUTION/AVAILABILITY STATEMENT

     

    Approved for

     

    public 

    release;

     

    distribution is unlimited. 

    12b. 

    DISTRIBUTION CODE

     

    13. ABSTRACT maximum 200 

    words) 

    Th e 

    Biomechanical

     

    response

     of  th e 

    human

     

    thorax

     was studied using th e

     

    finite

     

    element

     

    method

     

    by

     

    the

     

    classic

     

    stiffness

     

    method.

     

    Th e

     

    main

     

    focus

    was

     

    on

     

    validation

     

    of

     

    the

     

    model.

     

    he

     

    model

     

    was 

    subjected to

     static 

    an d dynamic 

    forces 

    applied

     

    at the sternum. A

     

    plate

     was adhered

     to 

    th e

     sternum area

     

    an d 

    th e

     model 

    was subjected to a dynamic

     

    load to

     

    simulate an

     

    impact

     load 

    similar to a projectile

     or

     bullet impact. he

     

    projectile 

    characterized a 7.62 NATO M 80 ball 

    round. 

    he 

    bulletproof

     

    vest

     

    was

     

    similar in material properties 

    to

     boron carbon 

    composite. he

     

    results

     included

     

    th e static

     

    analysis an d

     transient

     analysis

     

    an d

     the

     

    subsequent

     

    displacement

     du e

     to the 

    external

     loading.

     tress

     

    was calculated

     

    from

     th e

     

    displacements.

     he

     results 

    were compared to

     

    earlier research an d 

    live fire

    tests

     conducted 

    on

     cadavers.

     

    4 SUBJECT

      TERMS

     

    Body

      Armor

    Biomechanics Thorax 

    1 7 . 

    ECURITY

     

    CLASSIFICATION

     

    OF

     

    REPORT 

    Unclassified

     

    1 8 . ECURITY CLASSIFICATION 

    OF THISPAGE 

    Unclassified

     

    1 9 .

     ECURITY 

    CLASSIFICATION 

    OF

     

    ABSTRACT 

    Unclassified 

    15 .

     NUMBER

     OF  

    PAGES

      62 

    16 . 

    PRICE CODE 

    20. LIMITATION OF 

    ABSTRACT 

    UL 

    NSN 7540-01-280-5500 

    Standard

     Form

     

    298 (Rev. 2-89) 

    Prescribed by

     

    ANSI Std.

     

    239-18 298-102 

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    3/62

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    4/62

    Approved

     

    for 

    public release;

     distribution is

     

    unlimited. 

    BIOMECHANICAL

     MODEL

     

    OF 

    THE

     

    HUMAN 

    THORAX

     

    FOR

     IMPACT

     

    ANALYSIS

     

    Timothy A. Hughes 

    Lieutenant, United States Navy 

    Bachelor of

     

    Engineering, 

    University of 

    Mississippi, 1991 

    Submitted

     

    in partial fulfillment

     

    of

    the

     

    Requirements

     

    for the

     

    degree

     of

     

    MASTER  OF

     

    SCIENCE IN  

    MECHANICAL 

    ENGINEERING  

    from

     

    the 

    NAVAL

     

    POSTGRADUATE SCHOOL 

    September

     1999

     

    Author: 

    Approved

     

    by: 

    Timothy

     

    A. Hughes 

    {/  oung 

    W. Kwon 

    Chairman

     

    Department of Mechanical Engineering 

    in 

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    5/62

    IV

     

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    6/62

    ABSTRACT 

    The 

    Biomechanical

     response

     

    of 

    the

     

    human

     

    thorax

     was

     

    studied 

    using

     

    the 

    finite

     

    element method

     

    by

     

    the classic stiffness

     

    method. The main focus

     

    was in validation

     of

    the 

    model.

     

    The

     

    model

     

    was

     

    subjected

     

    to

     

    static

     

    and

     dynamic

     

    forces

     

    applied

     at

    the

     

    sternum.

     

    plate

     

    was

     

    adhered

     

    to

     

    the 

    sternum 

    area

     and the model 

    was 

    subjected 

    to

     a dynamic 

    load

     

    to 

    simulate an

     

    impact

     

    load similar

     

    to 

    a

     

    projectile or bullet impact.

     

    Th e projectile 

    characterized

     

    a

     

    7.62

     

    NATO M80 ball round.

     

    The bulletproof  vest was similar

     

    in 

    material

     

    properties

     

    to

     

    boron

     carbon composite.

     The

     

    results 

    included 

    the 

    static 

    analysis 

    and

     

    transient

     analysis 

    and

     the subsequent

     

    displacement

     

    due

     

    to the external loading. tress 

    was 

    calculated

     

    from the displacements.

     

    The results were compared to earlier 

    research

     

    and

     

    live

     

    fire tests

     

    conducted

     

    on

     

    cadavers.

     

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    7/62

    V I

     

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    8/62

    TABLE

     

    OF CONTENTS 

    I.

     INTRODUCTION

    II.

     

    BACKGROUND

    A. 

    BIOMECHANICAL

     

    BEHAVIOR

     

    OF

     

    BONE

    B. 

    BIOMECHANICAL BEHAVIOR

     

    OF

     

    CARTILAGE

     

    C. 

    ANATOMY

     OF

     

    TH E 

    HUMAN

     

    THORAX

    3

     

    1 . Spine 4 

    2. Ribs 6

     

    3. 

    Sternum 7

     

    D. 

    LITERATURE

     SURVEY .

     

    8

     

    III.

     

    FINITE

     

    ELEMENT 

    MODEL

    1

     

    A.

     

    HUMAN

     

    THORACIC

     

    BODY

     

    MODEL 1 

    B. 

    PERSONNEL PROTECTIVE

     

    VEST

    2

     

    C. 

    INTERFACE

     

    ELEMENTS 6 

    D. PROJECTILE MODEL 6 

    E.

     MODEL

     

    SOLUTION

    VI.

     

    INJURY

     ANALYSIS

    V.

     

    RESULTS

     

    AND

     

    DISCUSSION 3

     

    A. STATIC 

    ANALYSIS 3

     

    B. 

    TRANSIENT

     ANALYSIS

    VI.

     

    CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS 5 

    A. 

    CONCLUSIONS

     5 

    B.

     RECOMMENDATIONS 6 

    LIST OF 

    REFERENCES 9

     

    INITIAL

     

    DISTRIBUTION 

    LIST 1

     

    Vll 

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    9/62

    VX1X 

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    10/62

    ACKNOWLEDGMENTS 

    I would

     

    like

     to express my great appreciation 

    to

     Professor Young

     

    W.

     

    Kwon for

     

    his

     

    support

     

    throughout this

     

    research.

     His 

    dedicated

     

    guidance

     has 

    significantly

     

    enhanced 

    my

     

    education

     

    at

     

    the

     

    Naval

     

    Postgraduate

     

    School.

     

    I would

     also

     wish

     

    to

     

    thank

     

    Dave

     

    Marco 

    for invaluable time

     

    and guidance 

    in 

    overcoming

     

    the

     

    many

     

    hurdles

     

    I encountered in

     

    C

     programming skills. 

    There

     is no amount

     of

    thanks or

     

    acknowledgement

     

    I could

     

    offer my

     

    wife, Mariel, 

    for he r

     

    love 

    and

     support

     

    during

     

    this entire endeavor. 

    XX 

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    11/62

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    12/62

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    13/62

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    14/62

    I I BACKGROUND

     

    A BIOMECHANICAL  BEHAVIOR  

    OF

     BONE

     

    This chapter

     describes 

    the

     physical makeup

     of human

     bone an d cartilage

     as well

     

    as the mechanical properties associated

     

    with

     compact

     and 

    cortical

     

    bone.

     he bone nd

     

    cartilage 

    simulated 

    in 

    the finite

     element

     

    model geometrically

     

    and

     

    physically

     represent the

     

    spine an d rib

     

    cage. hese

     

    biomechanical

     

    materials 

    make

     

    up the

     

    vast majority of th e finite 

    element model that represents the musculoskeletal

     

    structure of the thoracic

     

    lumbar spine 

    including the

     

    rib

     

    cage. 

    In the study of engineering 

    materials

     

    such

     as steel an d 

    alloys

     it is imperative to 

    understand he mechanical roperties of the material se d n  tructure.

     

    echanical 

    properties include but are not limited

     

    to ultimate strength, yield

     

    point, Young's Modulus 

    (modulus 

    lasticity)

     nd

     oisson's

     

    atio. ll f hich

     

    re

     

    mportant

     

    esign 

    considerations

     

    fo r

     

    the 

    engineer.

     he mechanical

     

    behavior of a structure

     

    or member varies 

    based

     

    n

     

    geometry,

     

    xternal

     

    orces,

     

    oading

     rate, nd 

    frequency

     

    of

     

    application

     

    of

     load.

     

    The

     

    engineer must interpret 

    the

     perceived 

    environment

     to

     enable

     him  to

     select

     the correct 

    material an d optimize the mechanical structure. 

    The

     

    iomechanical

     

    r

     

    issue

     

    ngineer

     oes 

    ot

     

    av e

     

    he

     

    uxury

     

    f

     

    material

     

    selection n th e modeling

     

    of

     

    bone issue.

     

    he 

    iomechanical material roperties nd 

    behavior

     

    are

     just as

     important

     

    in

     understanding 

    living

     tissue, mechanisms

     of

     

    failure, and

     

    modeling

     

    of human tissue.

     

    he engineer must couple 

    the

     knowledge

     

    of 

    the

     human tissue 

    with he perceived nvironment. he ngineer 

    an

     

    hen elect 

    he

     most ppropriate 

    material

     

    for 

    the 

    (PPE)

     

    an d

     

    optimize

     

    the

     structure.

     

    When examined under the microscope bone

     

    is considered

     

    a composite as shown 

    b y

     

    Hamm's

     

    1969

     

    adaptation

     

    of

     

    the

     

    bone

     

    as

     

    seen

     

    in

     Figure

     1.

     

    he

     

    basic

     

    unit

     

    of

     

    the

     

    bone

     

    is

     

    called

     

    the Haversian

     

    system or 

    osteon.

     

    ac h osteon

     

    ha s a vein in the

     

    center.

     

    he blood 

    vessels are connected 

    by

     transverse channels

     

    called Volkmann's canals. 

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    15/62

    Fibrou* layer of p«wo»*«*-n. 

    Osteogeuic layer of pcrio*teu.m. 

    Ou.ter

     iT-ciiTTtfer'ervtia.l

     

    lamellae

     

    Lacunae

     containins otteocyte* 

    Can.a.Ucu.lv

     

    lerstitia-l 

    lamellae

     

    ferervtial

     

    Blood, 

    vessel

     

    and

     

    etvAoiteai

     

    lining 

    of 

     tvavePSian canal 

    Blood 

    vessel» 

    Into

     

    marrow  

    Eudoateum.

     

    Figure

     

    1.

     

    Huma n

     

    Bone

     

    [Ref.

     

    1]

     

    Biomechanically one may e onsidered  wo-phase bi-phasic) omposite 

    material. inerals are on e

     

    phase and collagen

     

    an d ground substance 

    make

     up 

    the

     second 

    phase, which is similar to fiberglass. 

    one ha s

     similar characteristics to other

     

    composites 

    in

     

    that strong brittle fibers re mbedded 

    in

     weaker

     

    more uctile material or matrix. 

    The most mportant roperties of bone 

    re

     ts trength nd tiffness. oad versus 

    deformation

     

    urves

     

    imilar

     

    o

     

    tress

     

    s.

     

    train

     

    urves

     

    llow

     

    or

     he

     

    issue property

     

    determination

     

    uc h

     

    s ltimate ensile

     

    tress,

     

    ield

     

    oint,

     

    nd

     

    train

     

    nergy.

     

    his 

    technique s imilar to he trength of materials pproach.

     

    on e s considered a non- 

    homogeneous

     anisotropic

     

    composite

     material.

     here 

    are 

    tw o

     types

     of

     bones,

     

    cortical

     

    and

     

    cancelleous or

     rabecular

     

    one. 

    Material nd he material properties

     

    of

     

    bone iffer 

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    16/62

    depending

     

    on

     

    the

     

    loading

     

    orientation.

     

    he mechanical properties 

    of

     bone

     

    differ in the 

    two 

    ypes

     

    f

     one. ortical

     

    one 

    s

     tiffer

     

    han

     

    ancelleous

     one.

     ortex

     

    one 

    withstands reater stress but

     less

     train than

     

    cancelleous

     

    bone when

     loaded 

    to ailure. 

    Cancelleous

     

    bone

     

    in vitro 

    (out of body) does 

    not 

    fracture

     until

     strain exceeds

     75 %

     

    but 

    cortical bone fractures at strain levels 

    as

     low

     

    as

     2 

    %

     Ref.

     4] .

     

    The

     cancelleous porous 

    bone structure

     

    has a

     

    greater

     

    capacity for energy storage. 

    A

     

    qualitative

     

    review

     ofbone

     and

     

    other

     

    engineering

     material

     are

     

    shown

     

    in 

    Figure

     

    2.

      The

     

    stress

     strain

     

    curve

     

    shows

     

    bone

     exhibits 

    a

     non-linear

     

    behavior

     

    and

     both 

    ductile

     

    and

     brittle behavior.

     

    Since 

    the

     structure of bone is different in the 

    longitudinal

     

    and transverse direction it 

    is

     

    expected

     to exhibit different

     material

     

    properties

     depending 

    on the 

    loading

     direction. 

    STRAIN  

    Figure 

    2.

     Stress

     

    Strain

     

    Curve 

    for

     

    Bone

     Ref. 

    2]

     

    The

     metal 

    and glass 

    have 

    distinct

     linear 

    elastic

     region where bone

     exhibits

     some

     

    plastic 

    behavior

     even in the 

    typical

     

    metals 

    elastic 

    regions.

     

    on e

     

    also deforms less

     

    than

     

    metals

     fter

     

    ielding.

     

    icroscopic nvestigation eveals

     he

     

    ifference n 

    biomechanical 

    materials

     

    and

     

    metals

     

    that precedes failure in the

     

    two

     materials.

     

    onsider a 

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    17/62

    metal pecimen

     

    in tension, 

    yielding

     

    is 

    produced by plastic flow and formation

     of

     slip 

    planes

     

    in certain crystallographic

     

    directions

     

    that can 

    be

     

    predicted

     based 

    on

     

    the metal

     

    such 

    as

     

    BCC, FCC, and

     HCP.

     ielding

     

    is a 

    result 

    of

     dislocations 

    of 

    molecules

     

    in 

    the

     lattice 

    structure. one pecimens, 

    ested

     n

     tension,

     ields 

    s

      result 

    of

     de-bonding 

    of 

    the 

    osteons 

    at

     

    cement

     line 

    [Ref.

     

    2] .

     

    echanical

     

    properties,

     

    geometry, 

    loading modes,

     

    load 

    rate,

     

    nd

     requency

     

    of

     

    applied

     oad 

    ffect 

    the ehavior 

    of

     

    bone 

    ubjected to xternal 

    forces. one

     

    in vivo (in the body)

     

    is

     

    subjected to

     

    all types

     

    of loading

     including

     tension 

    compression,

     bending, shear,

     

    and torsion. This

     

    study 

    investigates

     

    the

     reaction of

     

    bone 

    to

     

    applied oads. t 

    s

     herefore mportant to stablish n nderstanding 

    of

     the racture 

    modes

     

    that

     

    may  be seen. 

    Tension oading n 

    one

     

    roduces

     aximum ensile tress 

    n

     he lane 

    perpendicular

     

    to

     

    the

     

    applied

     

    load.

     

    t

     

    the

     

    microscopic

     

    level,

     

    the

     

    failure

     

    mechanism

     

    for

     

    bone

     tissue 

    loaded

     in

     

    tension 

    is

     

    a result of

     

    de-bonding

     at

     

    the cement

     line

     

    and

     

    pulling

     out 

    of

    the

     

    osteons

     similar to fiber 

    pullout

     

    as seen in Figure 3

     

    [Ref. 

    2] .

     

    V

     m'  *tfii  i 

    Figure 3 . Human

     

    Bone

     Loaded 

    to Failure 

    [Ref.

     2]

     

    Generally 

    tension

     fractures are seen 

    in

     cancelleous bone. 

    ompressive

     

    loading 

    results in

     

    bone structure shortening 

    and 

    widening.

     t

     the

     

    microscopic level the fracture 

    mechanism

     

    or 

    one 

    oaded n ompression 

    s

     

    oblique

     cracking 

    of 

    he

     

    steons. 

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    18/62

    Compressive ractures 

    re 

    typically 

    een

     n

     

    the 

    ertebrae

     n

     

    mature one. 

    n joints

     

    compressive 

    failure 

    is usually a result 

    of

     abnormally

     

    strong

     

    contraction 

    of 

    the muscles 

    surrounding he

     

    joint 

    uch

     s een n atients ndergoing lectroconvulsive shock

    therapy.

     hear is

     

    load applied parallel to the

     

    surface 

    with

     

    deformation

     being

     

    internal 

    angular shift

     

    of 

    right 

    angles.

     

    hese

     

    right angles

     

    become obtuse

     

    or acute due

     to

     the shear 

    loading.

     hear fractures are

     

    typically seen

     

    in

     

    cancelleous bone

     [Ref.

     

    2] .

     

    Bending

     

    is

     

    typically three point

     

    bending

     or 

    four

     point 

    bending.

     ince

     bone

     

    s

     

    asymmetric,

     

    tensile

     

    and

     

    compressive

     

    stresses

     

    may not be

     equal.

     he three 

    point

     bending 

    phenomenon

     is seen in

     

    boot

     

    top 

    fractures

     

    where

     four point 

    bending

     can exist between the 

    hip and knee. 

    Bone

     loaded in

     

    torsion

     

    results in shear stresses

     distributed

     over

     the 

    entire bone. 

    The

     

    magnitude 

    f

     

    the tress ncreases

     

    as

     

    the istance rom

     

    the

     

    neutral xis ncreases.

     

    Maximum shear

     

    stresses

     

    act on a plane 

    parallel

     to the neutral axis. 

    aximum

     tensile and 

    compressive

     stresses act

     

    on

     

    planes

     

    diagonal

     

    to

     the neutral

     

    axis.

     n

     

    Figure

     

    torsional 

    fracture of

     

    a

     

    canine femur

     

    is epicted

     

    where

     

    the hort crack at the initiation ite

     

    that 

    extends parallel to the

     

    neutral axis represents shear failure. he crack extends 

    at

     an angle 

    of 30

     

    degrees to the neutral

     

    axis and this

     

    is the plane of

    maximum

     

    tensile 

    stress.

     

    Figure

     

    4 . Torsional

     Fracture of

     Canine

     

    Femur

     [Ref.

     2]

     

    Bone

     

    unlike metals

     

    exhibit

     

    both 

    brittle

     and ductile

     behavior depending on

     age.

     

    Mature 

    one

     

    s

     

    rittle

     n comparison

     

    to rowing one. imilar relation 

    of

     ductile 

    versus brittle 

    behavior

     

    can

     

    be

     

    seen

     

    as

     a 

    result

     of

     

    loading rate.  An 

    interesting

     result of

     

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    19/62

    several studies 

    shows

     

    that

     bone properties 

    and

     behavior 

    such

     as strength and stiffness 

    is

     

    greatest

     if  the

     

    orientation 

    is

     the

     same as

     the

     loading orientation

     

    and

     

    direction

     exhibited in

     

    the

     

    body 

    [Ref. ].

     uman

     tissue,

     particularly

     

    bone, has perfected

     

    the design

     

    optimization 

    theories uch s maximum tress nd rajectory heory n hat, one material rows 

    preferentially with maximum material in

     

    line with maximum

     

    force [Ref.

     

    ]. 

    B. BIOMECHANICAL  

    BEHAVIOR

     OF

     CARTILAGE

     

    COSTACARTILAGE OF

     

    THE

     

    RIB 

    CAGE

     

    The cartilage that attaches the bony ribs to 

    the

     sternum is in the shape similar to 

    the

     bony ribs an d is called hyaline cartilage. artilage in the rib cage is responsible fo r 

    the

     everyday ease at

     which

     

    the thorax 

    moves

     to support respiratory functions. yaline 

    cartilage is

     

    similar in both costacartilage an d articular cartilage. 

    ARTICULAR CARTILAGE 

    The 

    ib

     airs rticulate ith he ertabrae ia he 

    ostasternal

     oint 

    nd

     

    communicate with

     

    the sternum

     

    via 

    cartilage.

     he costacartilage is articular cartilage

     

    and 

    forms 

    a  joint referred to

     as 

    costal

     

    articular facet. his  

    joint

     

    allows

     a place fo r the head of 

    the rib

    to

     articulate

     with

     

    the 

    vertebrae

     

    as

     

    depicted

     in

     

    Figure

     

    5.

     

    The  

    joints that

     

    make

     

    up

     

    the 

    costavertabral

     

    joints

     

    ystem

     

    re

     

    ostal

     

    acet

     

    of

     

    transverse

     

    rocess,

     

    he

     

    nferior

     

    ostal 

    articular acet, uperior ostal 

    rticular

     

    acet,

     nd  radiate igament 

    lso

     epicted n 

    Figure 5.

     

    The

     

    human body

     

    has

     

    three

     

    types of joints. 

    ibrous

     joints are composed

     

    of fibers 

    as

     

    the name 

    implies. 

    artilaginous joints are joints

     where 

    bones 

    are 

    united

     

    by

     

    cartilage 

    allowing nly light lexible movement. he ostovertebral joints re hese ype of 

    joints. he articulating bone ends are covered

     

    by a thin

     

    (l-5mm) dense white connective 

    tissue

     

    alled

     

    hyaline

     rticular

     cartilage

     a 

    type

     

    of 

    elastic 

    artilage

     that

     grossly 

    appears

     

    smooth an d semitransparent

     

    with a

     

    blueish-white tint.

     

    he articular cartilage is typically 

    void 

    of

     

    blood essels, ymph hannels,

     nd

     

    erves.

     The rimary unction of

     

    articular 

    cartilage is to distribute the load over a

     

    wide

     

    area and to allow

     

    relative movement of

     

    the 

    opposing joint surfaces with minimal friction an d wear. The

     

    iber

     

    bundles

     

    orm a

     

    root 

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    20/62

    system

     that 

    anchors the cartilage to

     

    the

     

    underlying

     bone.

     hese fiber bundles 

    are

     made 

    up

     of

     

    collagen. 

    he

     

    most mportant 

    mechanical roperty 

    f

     collagen s

     

    heir

     tensile 

    stiffness and strength. he size

     

    of 

    a single

     

    collagen fiber 

    prohibits 

    individual

     testing 

    to 

    determine

     

    trength

     ut 

    his

     may e nferred y 

    esting

     materials with arge ollagen 

    content such

     

    as

     

    tendons Ref. ]. endons

     

    have  tensile tiffness 

    of

     10

    3

     MPa

     

    and

     

    tensile

     

    strength 

    of 50 M Pa [Ref.

     

    ].

     lthough 

    strong in 

    tension 

    collagen

     

    is

     

    very

     

    weak

     

    or 

    irresistant to compression because 

    of

     the high slenderness ratio, which allows for ease 

    of

     

    buckling

     

    nder 

    ompressive

     oad. 

    rticular

     artilage

     

    s

     

    nistropic

     nd

     s uch 

    ts

     

    material

     

    properties

     

    differ with loading

     

    direction.

     

    he

     

    exact

     

    reason

     

    for 

    the anisotropic

     

    behavior 

    is unknown.

     Proteoglycans 

    (PG's)

     

    are 

    large 

    protein-polysaccharide 

    molecules 

    that

     exist 

    either

     as 

    monomers,

     simple 

    molecular 

    units, or

     

    aggregates.

     

    monomers 

    are

     

    made

     

    p

     

    of

     

    a

     

    core

     

    pproximately

     

    00nm

     

    ong

     

    o

     

    which

     

    about

     

    50

     

    lycosaminglycan

     

    (GAG)

     hains

     

    re

     

    ttached.

     hese 

    monomers

     

    make

     p everal ifferent types

     of 

    PG 

    aggregates

     epending n 

    the 

    onding. 

    he 

    PG

     

    ggregates re

     ot istributed venly 

    through he 

    artilage ut

     

    re

     nhomogeneously ispersed

     

    hroughout

     

    he rticular 

    cartilage.

     

    t is generally 

    accepted

     that the PG aggregation promotes

     

    immobilization 

    of

     

    the 

    PG's) 

    within the 

    ollagen 

    etwork dding tructural 

    igidity 

    o he xtracellular 

    matrix.

     

    ater 

    is

     the most abundant 

    component of

     the articular cartilage nd 

    s

     most 

    concentrated

     

    near

     

    the

     

    surface.

     

    ater

     

    is

     

    found

     

    to

     

    decrease

     

    almost

     

    linearly

     

    with

     

    increasing

     

    depth 

    nto he

     

    matrix. ater

     ontains many

     ree

     

    mobile ations

     

    hat

     

    nfluence

     

    he 

    mechanical behavior of the

     

    cartilage. he

     

    fluid

     

    provides a

     

    transport

     

    medium that permits 

    diffusion 

    f

     ases,

     

    utrients,

     

    nd 

    aste

     roducts

     etween 

    he hondrocytes

     

    nd 

    surrounding ynovial

     luid. 

    ost

     

    of

     the water n he artilage 

    xtracellular nd 

    occupies 

    the intermolecular space in the 

    collagen 

    fiber networks. he

     

    water 

    is free 

    to 

    move

     when

     

    oad r ressure

     

    radient 

    s pplied

     o

     

    he

     

    issue. 

    his

     movement 

    s

     

    essential 

    in

     

    the lubrication

     of 

    the 

    joint 

    and

     

    the 

    mechanical

     

    behavior of

     

    diarthrodial joints.

     

    Articular

     

    cartilage

     

    has

     

    two

     

    distinct 

    phases, a fluid

     

    phase 

    which

     consists of

     

    ater

     with 

    inorganic

     

    alts 

    issolved

     

    n

     

    olution nd  olid 

    hase 

    which 

    onsists

     

    of

     the

     

    rganic 

    matrix. rticular

     

    cartilage 

    is considered a 

    fluid filled, 

    porous-permeable 

    medium with 

    both

     

    solid

     and

     fluid phases and 

    each 

    distinct

     constituent of

     both

     phases 

    playing 

    role in 

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    21/62

    the

     functional behavior 

    of

     the

     

    cartilage 

    Ref.

     

    2]. 

    A human

     

    joint is

     

    exposed

     

    to

     

    varying 

    degrees 

    of force

     at the surface

     from 

    near

     

    zero

     

    to

     

    several

     

    times

     body weight.

     

    Anterior

     

    longitudinal

     

    l igament

     

    Inferior  costal 

    ürlicular

     facet 

    for

     head of

     

    rib 

    Intcrarticular

     

    ligament 

    Superior costal 

    articular

     

    facet 

    for 

    head

     

    of

     

    rib 

    Kadiatc 

    ligament 

    Costal

     

    facet

     

    of

     

    transverse

     

    process

     

    for

     

    tubercle

     

    of

     

    rib

     

    lateral

     

    costotransverse  ligament 

    Intertransverse

     ligament

     

    Superior  costotransverse  ligament 

    Superior 

    coslovertebral

     

    articular 

    facet

     

    of 

    rib

     head

     

    Interarticular

     

    ligament 

    Radiate 

    ligament 

    Synovial

     

    cavities 

    Left lateral 

    view 

    Superior

     

    costotransverse

     l igament (cuf) £?

     

    Superior

     

    costal

     

    articular 

    facet

     

    for

     head

     of 

    rib 

    Transverse

     

    process  

    cuf off) 

    Radiate

     l igament

     

    Costotransverse ligament 

    Lateral

     costotransverse ligament

     

    Superior costotransverse  ligament 

    Costotransverse

    ligament 

    Lateral

     

    costotransverse

     

    l igament

     

    Transverse  

    section: 

    super ior  view  

    Intertransverse ligament 

    Right

     

    postero la tera l

     v iew  

    ä

     

    Figure

     5. 

    Costovertebral

     Joints

     [Ref.

     

    3]

     

    10

     

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    22/62

    Under physiologic loading 

    the

     

    articular

     

    cartilage

     is a

     

    highly stressed material. 

    If

     

    material s 

    ubjected

     o  onstant 

    time

     ndependent) 

    oad

     r onstant 

    deformation 

    nd

     he 

    esponse 

    aries

     

    with hese 

    oads,

     he 

    material

     s

     

    aid

     o 

    e

     

    viscoelastic solid. he tw o fundamental responses of 

    a

     viscoelastic solid

     

    are creep an d 

    stress

     relaxation.

     

    reep

     occurs du e to

     

    constant

     

    load, where 

    th e response of 

    the 

    material 

    is 

    a

     

    rapid 

    initial

     

    deformation

     

    followed

     

    by

     a 

    slow

     progressively 

    increasing

     deformation until

     

    equilibrium is reached. tress relaxation occurs when the

     

    viscoelastic solid is subjected 

    to

     

    constant 

    deformation. 

    he

     response is a high

     

    initial

     stress

     followed

     b y

     a 

    slow 

    (time 

    dependent) decreasing stress required to maintain th e deformation. 

    Creep an d

     stress relaxation are

     caused

     

    by

     internal

     

    friction due to motion 

    of

     long 

    polymer

     chains 

    within 

    the

     

    stressed

     

    material 

    as

     in

     tendons 

    an d ligaments. he

     long-term

     

    viscoelastic

     

    behavior

     

    of

     

    bone

     

    is

     

    du e

     

    to

     

    slip

     

    of

     

    the

     

    lamellae

     

    within

     

    the

     

    osteons

     

    along

     

    with

     

    the flow of interstitial fluids. he compressive viscoelastic behavior of articular cartilage 

    is

     du e

     to the

     

    flow of 

    interstitial 

    fluid. n

     shear

     it is primarily

     

    due to th e

     

    motion of the long 

    polymer

     chains 

    of 

    collagen

     and

     

    PG's.

     hese

     tw o

     components of

     viscoelastic behavior in

     

    articular

     

    cartilage

     

    are known

     as

     biphasic viscoelastic

     

    behavior

     and 

    flow

     

    independent or 

    intrinsic viscoelastic

     

    behavior.

     

    Biphasic

     

    creep

     

    in articular cartilage

     

    is

     

    caused by exudation of

     

    the 

    interstitial

     

    fluid.

     

    Exudation

     

    is

     

    at

     

    first

     

    very

     

    rapid

     

    an d

     

    diminishes

     

    gradually

     

    until

     

    flow

     

    ceases.

     

    uring

     

    creep 

    the

     applied

     load is

     

    balanced by

     th e

     compressive

     

    stresses developed

     b y

     

    the collagen-PG

     

    matrix nd th e

     

    rag eveloped y the

     

    low of the luid

     

    uring

     

    xudation. n umans 

    articular

     artilage 

    f  m 

    hick, xperiencing reep eaches 

    quilibrium

     

    n

     

    approximately  4-16 hrs. artilage of less than

     

    1mm such as seen in rabbits takes about 

    1

     r. o each quilibrium. 

    enerally

     he im e 

    o

     each quilibrium aries 

    with

     he 

    inverse 

    of

     th e quare 

    of

     the hickness Ref. 

    ].

     t

     

    s onsidered elevant o ompare 

    human

     cartilage

     

    to

     animals 

    such as dogs an d

     

    rabbits 

    because

     

    experimentation  has

     shown 

    very similar

     

    results

     in

     

    material

     

    properties. 

    Stress

     elaxation

     

    s

     

    esult 

    of 

    an

     

    xternally

     

    pplied ompressive

     

    oad.  The 

    compressive load results in a stress rise followed b y s stress relaxation.

     

    tress rise in th e 

    compressive

     phase

     is du e

     

    to

     

    exudation

     of 

    the

     fluid an d

     compaction 

    of 

    the solid

     

    material

     

    at 

    the

     

    surface. 

    tress relaxation is du e 

    to

     relief

     or

     rebound of 

    the

     compaction

     

    at the 

    surface.

     

    1 1

     

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    23/62

    Under

     

    physiological 

    loading 

    conditions excessive

     

    stress levels 

    are

     

    hard to

     

    maintain since 

    stress

     

    relaxation quickly attenuates

     

    the stress 

    [Ref.

     1] . 

    Both tress relaxation and reep 

    an

     be used to etermine permeability 

    of

     the 

    tissue.

     ermeability 

    is a measure 

    of

     

    the 

    ease 

    at

     which a 

    fluid can flow

     through

     

    porous 

    permeable

     material.

     

    ermeability

     is 

    inversely proportional

     

    to fluid 

    drag

     exerted by the 

    flowing fluid.

     

    ompaction 

    of

     the olid matrix reduces porosity and the 

    verage

     hole 

    diameter

     within 

    the 

    solid matrix

     

    and

     

    increases frictional

     

    resistance.

     

    he non-linearity 

    of

     

    permeable 

    material

     suggests

     

    that that 

    tissue

     has a mechanical feedback.

     

    Under high

     

    loads 

    the increased 

    frictional

     drag against the interstitial fluid 

    flow

     allows the tissue to appear 

    suffer and thus more

     

    difficult to

     

    allow exudation

     of 

    the

     fluid

     

    Ref. 

    ]. 

    Th e 

    behavior

     of

     

    cartilage

     as

     viscoelastic

     solids

     

    allows 

    the cartilage

     

    to 

    handle

     much larger 

    loads and

     strain 

    rates than predicted by a pure

     

    solid mechanics

     

    study.

     

    12

     

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    24/62

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    25/62

    1.

     Spine

     

    The pine onsists 

    of

     

    24 ertebrae, 3

     

    iscs 

    nd

     urrounding igaments. t s 

    divided ertically nto

     hree

     

    major

     

    ections;

     

    ervical,

     

    horacic,

     nd umbar 

    pines s

     

    shown

     

    in

     

    Figure

     

    7.

     

    Th e

     

    upper

     

    seven

     

    vertebrae

     

    are

     

    called

     

    the

     

    cervical

     

    pine,

     

    known

     

    as

     

    neck, 

    and

     give connection between 

    the

     

    head

     and

     

    the

     

    trunk. In

     

    order

     to describe 

    the

     unique 

    location 

    of

     each vertebra, a

     

    naming convention is 

    used.

     

    The initial 

    of

     each spinal name is 

    combined

     with a number. That is, 

    the

     uppermost cervical

     

    vertebra is

     called

     'Cl'

     

    and

     

    C2

     

    is 

    located

     

    right

     

    below

     

    Cl. 

    Figure

     8  shows

     

    how 

    two

     vertebrae are 

    connected

     

    to each

     

    other. 

    Each vertebra

     

    varies

     

    in dimensions 

    depending

     on age,

     sex, and ethnic

     

    group. 

    nother 

    consideration 

    is

     iven to igaments. Ligaments re

     

    uniaxial tructures urrounding the 

    vertebrae

     

    and they

     act

     like rubber bands. hey then give resistance under tension but 

    buckle

     

    when

     

    subjected

     

    to

     compression. The main 

    function

     of ligaments

     

    is 

    to

     

    allow

     

    proper 

    spinal motion,

     

    without 

    amaging

     he

     

    pinal

     ord

     nd

     

    tructure, nd o upport

     

    he 

    vertebrae

     

    and

     

    trunk

     with muscle.

     

    The

     

    disc

     

    is the

     

    inter-vertebral material with an anisotropic physical structure

     

    and

     

    viscoelastic

     property. It carries the 

    compressive

     loading to the trunk along with 

    the 

    facet 

    joints

     under 

    the

     

    various

     forces 

    and moments

     Ref.

     4] .

     

    igure

     9 shows

     

    a disc

     

    from

     

    the 

    spinal 

    olumn.

     

    he

     pinal 

    ord s

     linically n mportant

     

    omponent

     

    n

     

    he

     pinal

     

    column.

     

    his

     

    pinal

     

    ord

     

    s

     

    nclosed

     

    ithin he

     

    ertebral

     

    anal.

     

    n

     

    echanical

     

    perspective, however, it 

    is

     not

     

    important

     

    and

     hence

     excluded

     

    in

     

    the spinal 

    structure

     

    of

     this 

    research. 

    14

     

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    26/62

     the seven cervical

     

    vertebrae

     

    are

      C^Lgv

     

    y Cl

     

    C2 

    relatively

    small,

     

    and

     have holes 

    BÖ£ 

    C3 

    ervical 

    (foramna)

     in their transverse 

    t§£\; 

    C4 

    processes 

    B̂ r

     

    C5  

    C6

     

    C7 

    Tl

     

    ^gj&L

     

    T2 

    T3 

     the twelve 

    thoracic

     vertebrae  jgC&^ 

    T4 

    articulate  with the twelve  ^^St r**- 

    pa i  

    rs

     

    of

    ribs

     

    Zw5r~ 

    I

     

    T7  

    i

     

    ^  

    3 >  

    horacic 

    TO^ 

    11

     

    T1 0

     

    • 

    the

     

    five

     lumbar vertebrae are  raäS?

    T-)

    massive, weight-bearing struc-  -CE'W^T  

    *— A  Til 

    cures

     

    with limted mobility

     

    jjßü^-A

      T12

     

    < ^ P  

    e^fSlfF

     

     

    the sacrum consists offive  ^^S

     

    ^***

     

    fused,

     

    modified vertebrae, 

    C3Qf

    ,

    ?y7Sj 

    and arriculares 

    with the

      Sr̂

    lumbar 

    two iliumbones to com-  vSy|*Jj^> 

    plete

     

    me

     

    pelvic

     

    ring

     

    Ĉ OL**

    5

    ^ /

     

    the coccyx or tail-  Ŷ Ŝ *̂ /7

    bone is a

    vestigial

      /S'̂ ^̂ Ŝ*j

    L5

    structure

     

    consisting 

    fĵ &ae.

     

    -V^

     

    or

     

    three

     

    or

     tour  l|̂ '*»

    v

      f̂er

     

    fused vertebral  U 

    ^^fet-

    f

    remnants  V̂̂

     coccyx

     

    Figure 7.

     Spinal

     

    Column

     

    [Ref. 5]

     

    Figure 8.

     Connectivity 

    of

     Two Vertebrae

     

    [Ref.

     

    6]

     

    1 5  

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    27/62

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    28/62

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    29/62

    x -

     

    AP 

    View  

    Figure 11. 

    Structure of

     the Sternum[Ref. 10]  

    D. LITERATURE SURVEY 

    Reviewing

     literature, om e similar

     

    studies

     

    have

     

    been 

    done

     in the 

    rea

     

    of finite 

    element

     

    analysis 

    of

     the 

    human

     thorax.

     

    Most

     

    of 

    the

     

    preceding

     research

     

    has been

     

    restricted 

    to

     

    the tatic

     

    analysis

     

    nd

     

    attempt

     

    at

     

    validation 

    of 

    the 

    inite 

    lement 

    model.

     Literature

     

    involving

     

    the

     dynamic analysis of thoracic

     

    impact is 

    not

     

    readily

     

    available in

     

    the literature. 

    This

     

    study

     

    requires

     

    background

     

    information

     

    on the

     

    biomechanics

     

    of

     

    the

     

    human

     

    body,

     

    the

     

    characteristics

     

    of

     

    the 

    human

     

    injury, 

    and

     modeling

     

    technique,

     

    such as the finite element 

    method. The

     

    literature survey was conducted

     

    in this

     

    regard. 

    18  

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    30/62

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    31/62

    model of the

     

    human

     body

     

    which

     extended

     the

     model King

     

    Ref.  12]

     

    eveloped of

     

    the

     

    human

     

    head

     

    and

     

    cervical 

    spine.

     

    20  

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    32/62

    III. 

    FINITE ELEMENT

     MODEL

     

    A. H U M A N THORACIC BODY

    MODEL

     

    The

     objective

     

    of

     this research

     

    was

     to evaluate th e

     

    biomechanical response of the 

    human thorax

     

    du e to 

    impact 

    loading. 

    Therefore, the

     

    FEM 

    modeling

     of

     

    the 

    human thorax

     

    was 

    critical

     for this in this 

    research. However, 

    it 

    was

     very difficult to model the details

     

    of

     

    the

     human body because of

     

    its complex geometry, material property, 

    an d

     wide variation 

    of 

    the

     geometry and material properties from person to person an d 

    ag e

     distribution. he 

    finite element

     model

     developed fo r

     

    this study 

    is

     depicted in

     

    Figure 

    12 . 

    Figure

     

    12 .

     

    FE M 

    Model

     

    of

    Hu man Skeletal 

    Thorax  

    Linear 

    elastic

     behavior is 

    assumed

     fo r all materials. aterial properties 

    in

     earlier 

    studies

     

    an d

     

    finite

     

    element

     

    approaches

     

    to

     

    the

     

    biomechanical

     

    behavior

     

    of

     

    the

     

    human

     

    thorax 

    relied heavily 

    on

     data obtained b y 

    crude

     measurement techniques an d approximations.

     n

     

    order 

    to develop a

     more

     a

     

    refined 

    an d

     more accurate finite model element 

    the

     requirement 

    to btain

     

    more 

    ccurate

     iomechanical roperties 

    s

     

    eeded.

     ogananda 

    Ref. 

    3]

     

    determined

     the 

    biomechanical properties 

    of

     

    the 

    seventh and 

    eighth ribs

     by 

    classical 

    solid 

    21

     

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    33/62

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    34/62

    deformation 

    of

     the modeled thorax. late bending and shear deformation 

    are

     

    a

     

    result

     

    of

     

    the indlin/Reissner late

     

    heory

     

    hich ncludes he 

    effect

     

    ransverse

     

    shear 

    deformation.

     

    Unlike lassical 

    Kirchoff 

    plate heory, plane ormal o he midplane 

    before deformation does not remain normal 

    to

     the mid-plane after

     

    deformation 

    [Ref. 

    14]. 

    Figure 

    1 3  is a free

     

    body diagram 

    of

    the

     

    plate element. 

    Figure

     

    13.

     

    Free Body Diagram

     of

     a Plate Element [Ref. 14] 

    Th e

     

    basic equations for

     

    classical plate theory 

    are

     

    dM,

      dM  

    y  

    a=o

     

    dx

     

    dy  

    dM„

     

    8M

    V

     

    +

     

    -ß=0 

    dx

     

    dy

     

    *

    y

     

    dQ* 

    d

    Qy

     

    dx

     

    dy

     

    23  

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    35/62

    including the 

    transverse 

    shear forces. he 

    element

     stiffness matrix 

    for 

    shear

     

    deformable 

    plate bending

     

    is expressed as

     

    \K-]-£l\B

    t

     

    f\p

    i

    lB

    i

    ]

    n+nl

    t

    \

    B.f[D,lB.}n

     

    in

     

    order to

     derive

     the

     element stiffness matrix [K

    e

     ] hown above we 

    must

     

    express

     

    the 

    strains in terms of nodal variables. The in-plane

     

    displacements

     are given 

    by

     

    u =  

    -z@

    x

    (

    x,y)

     

    v =  -z®

    y

    (x,y) 

    the

     transverse displacement is

     

    For the shear deformable 

    plate

     

    =

     w x,y). 

    _  dw  

    0  =

     

    OX  

    dw 

    where  s

     

    he 

    ngle

     aused

     

    y

     

    he

     

    ransverse hear

     

    eformation.  The

     

    ransverse 

    deflection or displacement, 

    w,

     and 

    slope

     ,0,

     are

     independent, therefore

     

    shape functions 

    are 

    used

     

    to 

    interpolate 

    them. 

    Th e transverse and slope are interpolated as 

    1=1

     

    7=1

     

    i=i 

    where 

    s

     

    he

     

    umber

     

    of

     

    odes nd

     

    he

     

    hape unctions

     sed o nterpolate he

     

    displacements

     

    are 

    the

     

    same

     

    as those used

     

    to

     

    interpolate 

    the 

    slope.

     

    ending

     

    and

     shear

     

    strains are computed from

    the

     displacements as follows 

    {

    £

    ,}  

    =

     -z[Bjrf,} 

    24  

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    36/62

    where, 

    M

    dH

    x  

    dx  

    0

     

    8H\  

    dy

     

    M L M L  o  

    dy

     

    dy

     

    dH

    >  

    dx 

    0

     

    0

     

    dH

    2

     

    dy

     

    dH

    2

     

    dH

    2  

    dy  

    dy

     

    0

     

    0

     

    0

     

    dH

    3  

    dx 

    0

     

    dH,

     

    0  0

     

    dH

    3

     

    dy

     

    dH, 

    dy  dy  

    dH

    4

     

    0

     

    dx

     

    o  

    dH

    A  

    dy

     

    dH

    4  

    dH

    4

     

    dy  

    dy  

    is 

    matrix 

    representing

     

    the

     interpolation of 

    the

     

    bending

     strains 

    and 

    W=

     

    -H, 

    »•

     

    -H,

      0

      - , 

    ^

    3x

     

    ft

     

    ^

    S^3

     

    etc 

    -H

      0

     

    Ö K

     

    0

     

    -H 

    3

     

    ^

    a

    4  

    dx 

    H

     

    £

     

    y

     

    is matrix

     

    of 

    hape 

    functions

     

    representing the

     

    interpolation of the shear

     

    strains.

     

    The 

    constitutive

     

    equations 

    are 

    given b y 

    [A] 

    =

     

    l-v

    V  

    0

     

    1   0 

    0

     

    1-v

    [D,] 

    =  

    G

     

    0

     

    0  G  

    E:

     

    Elastic 

    modulus

     

    v:

     

    Poisson's

     

    Ratio 

    G:

     

    Shear

     mod 

    ulus

     

    [D

    b

    ]

     

    an d

     

    D

    S

    ] are

     

    th e 

    constitutive

     

    equation

     

    for

    bending and shear

     

    an d th e

     

    displacements 

    are

     

    25

     

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    37/62

    R}=K)l  (Ö,)l

     

    W

    l

     

    (®x)

    2

      (ö,)

    2

      *2

     

    (0,)

    3

     ®,)3

     

    W

    3

      (®,)

    4

      (®„>4  

    C.

     

    NTERFACE ELEMENTS 

    To rovide

     

    n

     

    nterface

     

    etween

     he

     ib s

     nd pine, 

    ero

     ength r

     

    iscrete 

    elements

     

    were utilized. his same type

     

    of approach was

     

    also

     

    used

     

    in the connection of 

    the plate nd

     

    thorax model

     

    ubassemblies 

    to 

    omplete the

     

    ystem. 

    he 

    inite lement 

    code

     defines the discrete beam element for simulating the 

    effects

     of a linear elastic zero 

    length

     eam y 

    sing ix

     prings ach

     

    cting 

    bout 

    ne

     of the ix ocal 

    egrees 

    of

     

    freedom. ac h 

    spring

     constant was adjusted depending 

    on

     its allowable movement based 

    on 

    expected

     biomechanical 

    behavior. 

    D.

     PROJECTILE MODEL

     

    For 

    this research a

     

    N A T O 7.62 m m 

    Ball

     

    M 80

     was 

    utilized

     in 

    the

     simulation of the 

    projectile.

     

    The projectile was fired from a distance

     

    of approximately 

    3

     meters

     

    from the 

    target. he

     

    initial or muzzle

     

    velocity of approximately

     

    3750

     

    f/s (1143m/s)

     

    results

     

    in

     

    an 

    impact

     velocity of 2575 f/s

     

    (784.86

     m/s).

     

    he

     velocity

     loss (V

    L

    )

     

    is

     

    a result of drag

     

    an d 

    relative air

     

    velocity 

    and

     behaves as 

    V,=

     

    XGD

    re l 

    C  

    where 

    X =  meters to 

    impact

     

    G  

    =

     Drag 

    coefficent

     

    D

    rel

     

    =  air 

    density

     

    C

     

    =  

    ballistic

     

    coefficient

     

    There

     

    s o onsistent

     

    esult

     

    n the mpact ehavior of bullet

     

    triking

     

    a target. 

    Because f 

    he 

    mpossibility f ontrolling

     

    ullet

     trike

     nd 

    egree

     f penetration 

    statistical pproaches re ecessary nd he military 

    ervices

     av e stablished V

    5

    2 6  

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    38/62

    ballistic 

    limit [Ref. 

    5] . hi s is

     

    the

     minimum 

    or

     

    maximum

     

    velocity 

    at 

    which

     

    particular

     

    projectile s

     

    xpected o ompletely enetrate

     he

     arget or

     onsistently 

    ail o 

    ully

     

    penetrate the armor given a thickness of

     

    th e armor 

    an d

     material properties 

    an d

     angle of 

    obliquity. his

     

    V50

     

    allistic imit was se d o pproximate

     

    he orce of the

     

    bullet

     

    impact. 

    The 

    orce of th e

     

    mpact an

     

    hen

     

    e alculated

     

    y

     

    alculating

     

    he

     momentum

     

    based

     on 

    mass

     

    nd

     velocity 

    of

     

    projectile.

     he 

    im e

     eriod of

     interest

     rom mpact to

     

    bullet 

    coming

     to rest 

    is

     

    pproximately

     00

     

    sec. he 

    orce

     

    pon

     

    impact

     

    is

     alculated

     

    based

     on

     the

     momentum and

     time. 

    Momentum =  {mass

    bulle

    ,)X  {velocity

    bullel

    )

     

    Momentum  = .00805\9kg 

    693

     Aim

     Is

     

    Momentum =  6.59kg -m/sec 

    \{Force)dt

      =  Momentum  

    As he

     

    irst pproximation the

     

    orcing

     

    unction 

    nd

     esponse

     

    s

     

    xpected to

     

    sinusoidal in

     

    shape.

     

    his

     

    model did

     

    not consider the

     

    penetrating capabilities of the bullet 

    or hypervelocity

     

    projectile. he preliminary

     

    results of field experimentation

     

    indicate that 

    the

     

    rojectile 

    id 

    not

     ully

     enetrate

     

    he 

    bullet-proof

     vest.

     

    he

     rojectile 

    id 

    ause 

    extensive rauma esulting n omminutation 

    f

     he ternum. he rojectile ully 

    penetrated

     

    he

     

    eramic

     rmor but 

    was topped

     

    y

     

    he

     

    kevlar

     

    acking

     

    material. 

    he

     

    expected

     

    forcing

     

    function applied 

    to

     the bulletproof 

    vest

     is depicted Figure

     14.

     

    27

     

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    39/62

    4

     

    X1 0 

    Approximate

     

    Force du e to

     

    Projectile

     

    Impact 

    14

     

    ^

     

    12  

    -

     

    10 

    f

    a >  

    I  6  

    4   / 

    \

    2  

    50

     

    10 0 

    Time(usec)

     

    15 0 

    2 00  

    Figure

     

    14 .

     External

     Force

     

    E. 

    MODEL

     SOLUTION

     

    A n explicit stiffness method was used in 

    the

     solution of the finite element 

    model.

     

    This

     

    olution 

    pproach

     s ased 

    n

     

    he

     heory nd ractice escribed n The

     

    inite 

    Element

     

    Method

     using Matlab

     Ref. 4].

     

    ATLAB

     5.2 

    was

     

    used

     

    to

     

    solve 

    the

     

    matrix

     

    equations

     for 

    the

     

    static

     study.

     language was 

    utilized

     to solve the transient analysis due 

    to time 

    considerations. 

    28  

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    40/62

    IV . 

    NJURY

     ANALYSIS 

    There

     

    are no 

    universal standard to evaluate

     

    injury 

    potential of 

    the human

     

    body 

    caused

     

    y

     

    xternal

     

    oading,

     

    ecause

     

    veryone

     

    s

     

    ifferent

     

    n

     

    ize,

     

    trength,

     

    nd

     

    ven

     

    response to

     

    the same loading conditions.

     

    ifferences also arise from sex, 

    age,

     and body 

    posture.

     However, 

    consistent demands 

    for

     

    evaluating

     injuries 

    and

     

    protecting

     the human 

    being

     from 

    injuries

     were motivated 

    and

     

    resulted

     in 

    some

     

    njury

     criteria

     and 

    reference 

    values,

     

    which 

    have

     

    been

     commonly used in the

     

    aerospace and automobile

     

    industry

     

    for 

    safety.

     

    hese re

     iscussed

     

    here

     

    to provide 

    om e

     

    nsight

     

    into

     the

     

    type 

    nd

     xtent 

    of

     

    injury that

     

    can 

    occur

     

    due

    to

     a 

    projectile

     strike

     

    to

     

    the

     

    protected

     

    area 

    of

    the sternum. 

    Injury nalysis s omewhat ifficult n 

    this

     ase ecause he mechanism hat 

    produces the

     

    injury or

     

    the bullet impact is localized 

    and

     non-linear which includes plastic 

    flow

     

    around

     

    the impact sight 

    as

     the

     

    bullet travels

     

    to 

    rest.

     

    everal phenomena occur in 

    and

     around the bullet 

    strike.

     ocal pettaling may

     

    occur which 

    is

     plastic deformation 

    of

     a 

    ductile

     

    material

     

    when

     

    struck by an

     impacting projectile

     

    or fragment 

    causing

     

    the material 

    to

     

    be

     

    forced

     

    outward in leaflets

     or

     petal

     forms

     

    [Ref.

     5] . palling,

     

    the

     

    detachment

     or

     

    delamination

     of a

     layer

     

    material

     in 

    the

     

    area 

    surrounding the location

     

    of the impact, can

     

    also

     occur

     due 

    to bullet

     

    strike. 

    palling

     

    can

     

    occur

     

    on either 

    the front

     or rear surface

     and 

    may

     

    roduce

     

    njury

     

    ven

     

    hough

     

    ullet

     

    enetration

     

    s

     

    ot

     

    omplete.

     

    his

     s 

    ocal

     

    behavior 

    and

     was neglected because the interest is strictly in the overall displacement 

    of

     

    the

     

    ternum. he

     

    ocus

     of 

    this esearch 

    is

     trauma

     

    to he 

    uman

     

    thorax aused

     y

     

    deflection

     or

     

    loading

     rate. 

    n

     other

     

    words 

    a basic assumption

     

    is

     that

     

    the protective

     

    body 

    armor 

    will

     stop

     

    the

     

    projectile

     

    prior 

    to

     full

     

    penetration 

    of

     the

     

    body

     armor. 

    Rib

     fracture and

     

    flail 

    chest, 

    excessive

     motion

     of 

    the

     

    chest, 

    occur

     

    due

     to 

    frontal

     

    impact

     

    of

    the

     chest.

     

    t

     

    is

     

    most probable

     

    that 

    the

     ribs fail due

     

    to bending on the

     

    tensile side 

    of

     

    the

     rib. 

    ib

     fractures 

    normally

     

    occur

     with

     

    chest deflection

     

    of 

    over 

    3

     nches, but 

    no

     

    fractures

     ccur

     t 

    eflections 

    of 

    less 

    han .3 nches.

     

    he umber f rib

     

    ractures

     

    depends 

    on

     

    the

     

    magnitude 

    of the chest 

    deflection

     [Ref. 16]. 

    The 

    amount of force

     

    depends

     

    on 

    the

     rate 

    of

     

    loading. herefore 

    at

     a given loading rate force appears

     

    to be related

     

    to

     

    the

     

    number

     of

     rib fractures due

     

    to 

    the

     

    viscous 

    nature

     

    of the

     

    thorax 

    [Ref.

     

    16].

     

    29

     

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    41/62

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    42/62

    Tolerance

     

    Level 

    Injury Level

     

    Force 

    3.3kN 

    to 

    sternum

     

    Minor injury 

    8.8kN 

    to chest 

    and

     shoulders 

    Minor injury 

    Acceleration 

    60g's

     

    3ms limit

    for

     

    hybrid

     II&III 

    Deflection(mm) 

    58 

    No rib

     

    fracture 

    76 

    Limit for 

    Hybrid 

    III 

    Compression(%) 

    20

     

    Onset

     

    of

     rib fracture 

    40 

    Flail

     

    Chest 

    32  

    Tolerance for rib

     

    cage 

    stability

     

    Table

     

    1. 

    Frontal 

    Impact

     Injury Tolerances.

     

    [Ref.

     16 ] 

    31

     

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    43/62

    32

     

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    44/62

    V. RESULTS 

    AND 

    DISCUSSION 

    The

     human 

    thorax

     

    model was first

     

    exposed to

     

    static

     

    load 

    applied at the

     

    sternum

     

    in order 

    to

     provide some 

    insight

     into

     

    the validity

     

    of

     

    the model. his

     

    was 

    accomplished

     

    using

     

    MATLAB

     

    nd

     

    he

     

    esults

     

    were

     ompared

     

    o

     

    arlier

     

    tudies.

     Earlier

     

    tudies

     

    include experimental information 

    and

     

    finite

     element modeling. he finite element

     

    model 

    was 

    then subjected

     

    to

     

    transient load 

    applied 

    at

     

    the protective

     vest

     

    covering

     the 

    sternum

     

    and compared to recent live-fire testing 

    of

     instrumented cadavers. he finite element 

    model

     

    was

     

    assembled 

    with the

     use

     

    of 

    ANSI

     C 

    programming language because 

    of

     the 

    increased speed

     of 

    the

     

    processing

     

    time.

     

    he 

    MATLAB

     5 files

     

    were

     translated 

    to 

    ANSI

     C 

    language. 

    he

     

    plate

     and thoracic body

     stiffness

     

    matrices 

    were

     

    computed

     

    separately and

     

    then

     

    ssembled

     

    nto

     

    ystem

     

    matrix.

     

    cceleration,

     

    elocity,

     

    nd

     

    isplacement

     

    were

     

    computed

     

    using

     

    numerical integration scheme called the central difference

     

    technique 

    O f articular

     nterest

     

    as he

     isplacement

     f

     he 

    ternum 

    nd ubsequent 

    displacement

     of 

    the

     thoracic

     

    body 

    resulting in

     applied

     stresses and strains 

    of 

    the 

    internal

     

    organs uch

     

    as the

     

    heart, ungs,

     

    liver, nd 

    other

     

    soft tissue. 

    lthough

     

    not

     

    specifically 

    modeled,

     

    damage

     to

     internal organs is 

    readily

     

    apparent

     

    in

     the 

    displacement 

    field of the 

    sternum and rib  cage 

    and

     laceration

     

    injury may

     

    result

     

    due

     

    to rib fracture sites. 

    A.

     

    STATIC

     

    ANALYSIS

     

    Literature describing

     

    the static loading 

    of

     the human thorax

     

    provided an

     

    avenue 

    for he initial model validation 

    and 

    was

     

    used in the static phase 

    of

     

    this

     

    research.

     

    nitially, 

    a tatic r uasistatic orce was

     

    pplied o rovide

     

    om e 

    measure 

    s o he model 

    usefulness.

     

    Tw o loading cases were considered. A 1001b (444.82 kg.) 

    load

     

    was 

    applied

     to 

    the

     

    mid-sternum

     

    line

     

    and

     

    a

     

    501b

     

    (222.41)

     

    point

     

    force

     applied

     

    at

     

    rib

     

    two.

     

    he

     

    global system 

    stiffness matrix was

     

    formed.

     

    oundary

     

    conditions appropriate

     

    for

     

    the

     

    simulation

     

    were 

    then

     applied. n 

    this

     case, the boundary 

    conditions

     

    simulated

     a

     cadaver

     

    lying on

     a 

    table. 

    The 

    nodes corresponding approximately

     to the position

     of 

    the

     

    ribs

     that extend 

    posteriorly 

    33  

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    45/62

    the

     

    farthest

     

    distance

     

    out 

    were

     pinned.

     

    This

     normally

     corresponds to a 

    position

     between 

    the

     

    angle and

     

    tubercle

     of 

    each

     

    rib

     

    pair. 

    Th e global displacement 

    were

     obtained 

    and

     

    used

     

    in an

     

    initial validation process of 

    the model. he

     

    displacement 

    field

     

    of 

    the

     sternum

     was evaluated and

     compared

     to

     

    the 

    experimental and numerical studies

     of Andricchii

     

    Ref.16],

     Nahum 

    [Ref.16],

     and work 

    done 

    by

     

    Patrick [Ref.16] with embalmed

     

    cadavers and

     

    fresh cadavers 

    (males 

    and 

    females). 

    he static 

    loading results

     

    compared

     favorably with

     

    the embalmed 

    cadavers 

    s

     

    well

     

    s

     

    the

     arlier numerical

     

    models

     

    of Andricchi.

     

    igure

     

    5

     

    rovides

     

    qualitative

     

    omparison between

     

    the 

    model

     

    eveloped

     

    nd 

    arlier

     

    models 

    s

     well 

    comparison between 

    the

     

    developed 

    model and earlier analysis of

     a

     static or

     

    quasi-static 

    force

     

    applied 

    to fresh

     

    and

     embalmed cadavers.

     

    Comparison 

    of

     

    Load

     

    Deflection

     

    0.4

     .6  

    Deflection of   sternum

     

    in inches 

    Figure

     15. Comparison

     

    of Thoracic Load

     

    Deflection

     

    Curves [After Ref.9]

     

    The anterior to

     

    posterior

     

    displacement

     of

     

    the

     sternum is 

    shown

     

    in 

    Figure 16

     as a

     

    result of the

     

    1001b load. The 

    deflection

     of 

    sternum

     

    and

     

    the deflection

     of

     

    the

     

    individual

     

    ribs

     

    pairs

     

    though

     

    7

     

    are 

    shown 

    in

     figures

     

    17 

    -

    23

     

    as a result of 1001b load.

     

    34

     

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    46/62

    Displacement of  Sternum 

    0.45 

    0.4  

    .3 5

     

    E  

    N  

    0.3  

    0.25

     

    .. 

    Y

     

    o  o-original 

    v

      v-deformed  

    ° 

    0

     

    V

     

    o

     

    0   V 

    -0.12 0.1

     

    0.08 0.06 0.04 0.02 

    y.meters 

    Figure 16. Sternum 

    Deflection 

    35

     

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    47/62

    R ib 

    Displacement

     

    0.03  

    0.06

     

    0.04- 

    0.02  

    >-

     

    0

     

    -0.02

     - 

    -0.04

     - 

    -0.06  

    -0.08

     

    Figure

     

    17. R ib 1 

    Deflection

     

    R ib 2 Displacement 

    0.08

     

    Figure

     

    18 . ib 2

     

    Deflection  

    36  

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    48/62

    0.08

     

    0.06

     

    0.04 

    0.02

     

    Rib 3  

    Displacement

     

    -0.02

     

    -0.04  

    -0.06  

    A

     

    ., 

    \\

     

    /

     

     

    ^̂ -̂

    deflected position

     

    -0.1

     

    -0.05  0  

    X

     

    0.05  0.1  

    Figure 

    19 . 

    Rib

      .3  Deflection 

    0.06 r 

    0.04 

    0.02

     

    Rib 4 Displacement 

    -0.02

     

    0.05

     

    . 1

     

    .15 

    Figure 20. Rib 4 

    Deflection 

    37

     

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    49/62

    0.1

     

    0.08 

    0.06 

    0.04 

    0.02

     

    -0.02

     

    -0.04 

    -0.06 

    R ib 5

     

    Displacement

     

    -0.08 

    0. 1

     r 

    J \

     

    \T

     

    1/

     

    ^x^—  

    -0.05

     

    X

     

    -0.2

     

    0.15

     

    0. 1

     

    Figure

     

    21. 

    Rib

     

    5 Deflection

     

    0.05

     

    0.1

     

    0.15

     

    R ib 

    Displacement 

    0.15 

    Figure

     

    22. Rib 6 Deflection 

    38 

  • 8/18/2019 Ada 370880wd

    50/62

    0.1

     

    0.08 

    0.06  

    0.04  

    0.02

     

    -0.02  

    -0.04 

    -0.06 

    -0.08 

    R ib 

    7  

    Displacement  

    \

    i  —̂

    —  -^^-ideflected postion 

    -0.2

     

    0.15

     

    0.1

     

    0.05

     

    .05

     

    .1

     

    .1 5

     

    X  

    Figure 2 3 .

     R ib 

    7 Deflection  

    Once he

     isplacements re