Wydział Mechaniczny Wrocław, dn. 30.05.2018 r. Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej dr hab. inż. Krzysztof JAMROZIAK RECENZJA Rozprawy doktorskiej mgr. inż. Michała Burkackiego pod tytułem Modelowanie wpływu zjawisk szybkozmiennych na urazy głowy 1. Podstawa opracowania Podstawę opracowania stanowi pismo Prodziekana ds. Nauki Wydziału Inżynierii Biomedycznej Politechniki Śląskiej, prof. dr. hab. inż. Zbigniewa Paszendy nr RIB/352/2017/2018 z dnia 27.04.2018 r. podyktowane decyzją Rady Naukowej Wydziału oraz dołączona do niego rozprawa doktorska mgr. inż. Michała Burkackiego napisana pod opieką naukową dr. hab. inż. Wojciecha Wolańskiego, prof. nadzw. w Pol. Śl. oraz promotora pomocniczego dr. inż. Kamila Joszko. 2. Uzasadnienie wyboru tematu i przyjętego celu rozprawy Rozprawa doktorska ukierunkowana została na zagadnienia odniesione do identyfikacji urazów ciała człowieka przedziału załogowego/desantowego Kołowego Transportera Opancerzonego (KTO) Rosomak. Kołowy Transporter Opancerzony jest jednym z podstawowych wozów bojowych będących na wyposażeniu pododdziałów zmechanizowanych WP RP. Jego zalety i walory bojowe zostały zweryfikowane po raz pierwszy na misji Polskiego Kontyngentu Wojskowego w Afganistanie (PKW Afganistan). Tam zyskał sobie miano solidnej konstrukcji skutecznie minimalizując skutki obrażeń przewożonych żołnierzy w wyniku wybuchu min pułapek typu Improvised Explosive Devices (IED). Pomysłowość ze strony rebeliantów w zakresie konstruowania nowych form IED podyktowana była także zwiększeniem intensywności nad udoskonalaniem i optymalizacją KTO ze strony producenta krajowego. Wymagania stawiane przez wojsko można było spełnić tylko wtedy, gdy zostały przeprowadzone odpowiednie prace
badawcze na podstawie, których dokonano szczegółowych analiz oceny zagrożeń i oceny prawdopodobieństwa doznania urazu przez żołnierza na skutek różnych form zagrożeń generowanych przez współczesne pole walki, w tym i transportu żołnierzy KTO. Nurtujące problemy, które wcześniej nie były analizowane przez polskie środowisko naukowe stały się podstawą do dokonania oceny czynników wpływających na stopień obrażeń żołnierza w przedziale załogowym KTO, w wyniku detonacji ładunku wybuchowego i wpływu fali uderzeniowej, a także fali podmuchowej na obiekt techniczny oraz ludzi znajdujących się w tej konstrukcji. Takiej próby szacowania doznanych obrażeń siły żywej w KTO podjął się Doktorant. Dotychczas Autor rozprawy doktorskiej specjalizował się w zagadnieniach urazowości człowieka na skutek wypadków komunikacyjnych. Tutaj należało się zmierzyć z inną skalą problemu. Ułatwieniem było uczestnictwo Doktoranta, jako członka zespołu naukowego w programie badawczym nt.: Poprawa bezpieczeństwa i ochrona żołnierzy na misjach poprzez działanie w obszarach wojskowo-medycznym i technicznym grant NCBiR nr DOBR-BIO4/022/13149/2013, w ramach, którego był w stanie zweryfikować dotychczasową wiedzę i ukierunkować się na zagadnienia związane z kryteriami urazowości na skutek wpływu fali uderzeniowej na załogę pojazdu wojskowego. Należy nadmienić, że obrażenia wynikające z obciążenia falą detonacyjną przebiegają w innych warunkach fizycznych, niż typowe obrażenia wynikające z ergonomii, ponieważ czas, w jakim ciśnienie osiąga wartość szczytową jest krótszy niż 100 mikrosekund. Przy tępym urazie czas, w jakim siły osiągają wartość szczytową to przedział 3 do 50 milisekund. W niniejszej pracy Doktorant skoncentrował się nad identyfikacją i analizą wpływu eksplozji IED na urazy głowy żołnierza przebywającego w pojeździe wojskowym KTO, który ulega destrukcji pod wpływem fali uderzeniowej wybuchu, gdzie oprócz działania fali swobodnej następuje działanie fal odbitych. Proces ten jest niekorzystny, ponieważ powoduje zwiększenie wartości ciśnienia, które potęgują obszar uszkodzeń w jego wnętrzu, a dodatkowo ujemna faza impulsu także wpływa negatywnie na członków załogi KTO. Zasadniczym motywem dysertacji jest numeryczna analiza opisu scenariuszy urazu głowy odniesionych na skutek kontaktu z sufitem przedziału załogowego KTO i dynamicznego oddziaływania uzbrojenia osobistego żołnierza w wyniku impulsowego oddziaływania eksplozji IED. Autor pracy podkreśla, że w następstwie tych badań zostanie sporządzona odpowiednia mapa czynników mających decydujący wpływ na poszczególne struktury głowy. Czynniki te dadzą ogólny pogląd o zakresie wystąpienia ewentualnych obrażeń między innymi TBI (Traumatic Brain Injury), a także będą pewnymi wytycznymi do optymalizacji konstrukcji pojazdów wojskowych i jego wyposażenia w funkcji prawdopodobieństwa przeżycia żołnierza, w pojeździe wojskowym i odniesionego urazu w przełożeniu na skalę AIS (Abbreviated Injury Scale). Jak zaznaczył Doktorant sporządzony zostanie model numeryczny głowy, ponieważ pomimo wielu modeli, które w swej strukturze są bardziej lub mniej rozbudowane to znaczna ich wymaga licencji 2
dostępu do kodów źródłowych. To niesie za sobą określone skutki. Budowa modelu numerycznego głowy jest zagadnieniem bardzo skomplikowanym i niezmiernie wymagającym. Nie wystarczy tylko znajomość anatomiczna budowy głowy. Potrzebna jest tutaj interdyscyplinarna znajomość zagadnień zagrożeń wynikających ze współczesnego pola walki w ujęciu fizycznym, biomechanicznym oraz medycznym. Ważna jest także przyjęta metodyka wiążąca metodykę testową z uszkodzeniami głowy w powiązaniu biomechanicznym. Decydującym parametrem jest identyfikacja modelu, czyli jego wyskalowanie poprzez weryfikację za pomocą przyjętych w tej dziedzinie procedur i odniesienie do warunków rzeczywistych. W środowisku tym istnieje kilka metod weryfikacji modelu. Należy dobrać taką, aby skutecznie odzwierciedlić wpływ impulsu ciśnienia fal obciążających struktury głowy. Zjawiska identyfikacji procesu urazu głowy to interdyscyplinarne zagadnienia z pogranicza mechaniki ośrodków ciągłych, biomechaniki i medycyny. Zasadniczym problemem badawczym w pracy było porównanie: na ile zaproponowany model numeryczny głowy jest weryfikowalny w tym środowisku, a uzyskane wyniki mieszczą się w odpowiednich zakresach ilościowych i jakościowych w odniesieniu do parametrów wzorcowych. W tym podejściu Autor zastosował wszystkie możliwe techniki, zaczynając od segmentacji struktur głowy na podstawie danych obrazowych uzyskanych z tomografii komputerowej i rezonansu magnetycznego dorosłego mężczyzny, a kończąc na wygenerowaniu modelu 3D kości czaszki, modelu mózgu z jego poszczególnymi strukturami oraz dyskretyzacją poszczególnych struktur głowy przy wykorzystaniu metod numerycznych, aż do wygenerowania modelu w ujęciu jakościowym do modeli uznanych w środowisku. Drugoplanowym przedsięwzięciem było opracowanie modelu numerycznego KTO oraz podstawowego ekwipunku żołnierza. Całość posłużyła do szacowania obrażeń głowy żołnierza przebywającego w KTO, w wyniku przyjętych scenariuszy symulowanych zdarzeń impulsowego oddziaływania fali detonacyjnej i fali podmuchu na kadłub pojazdu wojskowego oraz załogi desantu. W tym kontekście dobór tematu pracy uważam za prawidłowy i aktualny mieszczący się w ważnych i priorytetowych obszarach technologicznych objętych ochroną i przetrwaniem na polu walki oraz oceną kryteriów urazów wybranych elementów ciała żołnierza. Opiniowana praca doktorska jest opracowaniem naukowym, mieszczącym się w dyscyplinie biocybernetyka i inżynieria biomedyczna. Cel pracy został sformułowany poprawnie i ma charakter twórczy. Dysertacja cechuje się dużymi walorami utylitarnopoznawczymi z ukierunkowaniem na numeryczne metody opracowania walidowane danymi eksperymentalnymi i danymi z dokumentów normatywnych. 3
3. Przegląd treści rozprawy Treść opiniowanej rozprawy doktorskiej mgr. inż. Michała Burkackiego zawiera się na 152 stronach, podzielonych na 8 rozdziałów wraz ze spisem literatury, liczącej 101 pozycji (wyłączając linki internetowe) oraz z 2 załączników na 10 stronach. Przeważająca część literatury stanowią pozycje anglojęzyczne. Układ tekstu rozprawy doktorskiej jest podzielony na logiczne i przejrzyste rozdziały. Rozdział pierwszy jest wstępem, w którym Autor dokonał podziału na dwa podrozdziały. We wstępie dokonał krótkiego omówienia problemu związanego z działaniem żołnierza na misjach w Republice Iraku i Republice Islamskiej Afganistanu, w świetle zagrożenia wynikającego od eksplozji różnego rodzaju min pułapek i IED. Uzasadnia także potrzebę prowadzenia badań modelowych nad poprawą bezpieczeństwa żołnierza w działaniach bojowych. Akcentuje, że badania modelowe dotyczące urazowości człowieka są jednym z dominujących treści współczesnej biomechaniki. Pozwalają one na dokładniejsze poznanie parametrów kinematycznych oraz dynamicznych, a także na określenie przyczyn powodujących uraz. Ich przewaga nad badaniami z uwzględnieniem obiektu rzeczywistego jest związana przede wszystkim z odpowiednimi przepisami legislacyjnymi. Autor uwypuklił również znaczenie opracowanych przez siebie modeli, które mogą być potencjalnie wykorzystane w badaniach dotyczących optymalizacji ekwipunku żołnierza i przedziału załogowego pojazdu wojskowego w funkcji wpływu fali uderzeniowej wybuchu. Następnie w podrozdziale pierwszym odniósł się do bezpieczeństwa żołnierzy transportowanych pojazdami wysokiej mobilności. Szczególną uwagę poświęcił na analizę zagrożeń, które występowały u naszych żołnierzy w Republice Iraku oraz Republice Islamskiej Afganistanu. Na tej podstawie scharakteryzował główne przyczyny obrażeń w sile żywej. Następnie przeszedł do istoty problemu, czyli oceny mechanizmów powodujących urazy żołnierzy podczas eksplozji IED. Szczegółowo scharakteryzował dokumenty normatywne określające kryteria urazowości i metodykę ich badań. Omawiane kryteria urazowości zostały poprzedzone licznymi schematami, danymi tabelarycznymi i opisem matematycznym. W podrozdziale drugim odniósł się do procesu modelowania systemów bezpieczeństwa stosowanych w wozach bojowych. Na przykładzie szczegółowej analizy literatury przedmiotu zagadnienie to odniósł do sposobów modelowania i stosowanych narzędzi. Zaznaczył newralgiczne elementy konstrukcji, co do których dobór właściwych modeli dynamicznych wymaga sporego doświadczenia i intuicji w doborze technik przy analizie numerycznej wpływu fali uderzeniowej na obiekt pojazdu wojskowego i pośrednio człowieka. Przy założonym modelu numerycznym człowieka symulowanego poprzez manekina, w tym i manekina Hybrid III wykazał wpływ różnych czynników na urazowość poszczególnych elementów ciała. Przybliżył proces tworzenia autorskich modeli ciała człowieka z możliwością ich wykorzystania do analizy obrażeń żołnierza podczas wybuchu ładunku materiału wybuchowego (MW). W ten sposób dostrzegł pewne luki w analizach wpływu fali uderzeniowej i fali podmuchowej na przedział 4
desantowy przewożonych żołnierzy, ponieważ dotychczasowe upublicznione wyniki badań dotyczą wybranych elementów transportu żołnierza (siedzisko dowódcy, operatora broni pokładowej czy kierowcy). Przedziały załogowe dla wymienionych osób funkcyjnych posiadają nieco odmienne wyposażenie antywybuchowe. Stąd Doktorant postanowił zająć się analizą i opracowaniem modelu, który przyczyni się do prowadzenia badań przy szybkozmiennych procesach wpływu impulsu ciśnienia na struktury kości czaszki, jak i struktury mózgu. Zaznaczył, że bazowanie na typowym parametrze HIC (Head Injury Criterion), który dość dobrze odzwierciedla kryteria urazowości głowy kierowcy/pasażera w wypadku komunikacyjnym to w tym przypadku już nie jest to takie oczywiste. Obok głównego sprawcy w postaci fali uderzeniowej należy także uwzględnić ekspandujące produkty detonacji oraz odłamki lub inne ciała napędzone do wysokiej prędkości. Występują tutaj typowe obrażenia głowy od wstrząsów, krwotoków, krwiaków (krew, krzepy), złamania czaszki, uszkodzenia anoksyczne aż po skomplikowane urazowe uszkodzenia mózgu (TBI), w tym rozproszone uszkodzenia aksonu czy rozlanego uszkodzenia aksonalnego. Uszkodzenia mózgu rosną wraz z upływem czasu trwania urazu. Słusznie zauważa potrzebę przeprowadzenia badań z ekwipunkiem tj. wpływem broni osobistej na obrażenie określonych części ciała (głowy), gdyż często podczas transportu może być ona niewłaściwie zamocowana w odpowiednim uchwycie, co też wynika z szybkiej gotowości jej użycia. W rozdziale drugim przedstawił cel oraz zakres pracy. Nakreślił scenariusz osiągnięcia założonego celu w ujęciu wpływu miejsca wybuchu, umiejscowienia żołnierza w pojeździe, analizy wpływu systemów pasów bezpieczeństwa, a także analizę wpływu ekwipunku na bezpieczeństwo żołnierzy. W rozdziale trzecim Doktorant wykonał obszerną analizę obiektu technicznego, jakim był KTO Rosomak. Szczególnie odniósł się do przedziału desantowego tego transportera. Przyjmując wstępne założenia do modelu KTO wygenerował warunki brzegowe, które są niezbędne w modelowaniu numerycznym. W dalszej części rozdziału skupia uwagę na uszczegółowieniu modelu przedziału desantowego KTO generując pierwsze modele geometryczne. Przystępując do prac symulacyjnych stworzył modele numeryczne, które poddał wymuszeniu impulsowemu o odpowiednich wartościach przeciążenia. Zauważył też, że na otrzymywane kryteria urazowości żołnierzy wpływa interakcja całego desantu oraz typ siedziska i rodzaj pasów bezpieczeństwa, przez co wprowadził modyfikacje do modelu. Rozbudowany model wraz z uwzględnieniem załogi desantu i ekwipunku został dopracowany ze wszystkimi detalami obiektu fizycznego. W ten sposób Autor dysponuje modelami na tyle zoptymalizowanymi, że jest już w stanie dokonać stosownych weryfikacji numerycznych. Otrzymane rezultaty starał się zwalidować przy współudziale badań prowadzonych na poligonie z uwzględnieniem zastępczej bryły KTO. To wymagało od niego dodatkowych nakładów w dostosowaniu modelu geometrycznego do wykorzystanego modelu fizycznego typu: Średni Kołowy Opancerzony Transporter (OT-64 SKOT), w którym zastosowano fotel antywybuchowy. Zarejestrowane wyniki 5
podczas eksplozji MW stały się bazą do dalszych symulacji numerycznych. W ten sposób Doktorant był w posiadaniu urzeczywistnionych wyników, w tym wartości impulsów przyspieszenia dla założonych wielkości ładunku wybuchowego typu TNT. Przeprowadzone symulacje numeryczne obciążenia impulsowego bryły pojazdu wraz z symulowaną załogą mają odzwierciedlenie realistyczne. Po zestawieniu tabelarycznym poziomów tolerancji kryteriów urazowości ciała ludzkiego dokonał analiz weryfikacyjnych z uwzględnieniem wielu czynników jak choćby kąt ustawienia siedziska czy rodzaj pasów bezpieczeństwa itp. Ostatnim etapem w tym rozdziale było przeprowadzenie symulacji z uwzględnieniem dynamicznego oddziaływania broni osobistej na newralgiczne elementy ciała człowieka. Symulacja objęła cały skład osobowy przedziału desantowego i broni będącej na wyposażeniu drużyny zmechanizowanej. Uzyskane wyniki zostały zestawione w postaci tabelarycznej i graficznej. Rozdział czwarty Autor poświęcił opracowaniu modelu numerycznego głowy człowieka. Rozdział ten jest szczególnym opracowaniem, gdyż przyjęte w nim założenia będą decydować o powodzeniu przyjętego celu pracy. Prace rozpoczął od obszernej analizy literatury przedmiotu. W ten sposób wygenerował podstawowe informacje związane z budową modelu numerycznego, a mianowicie dane w ujęciu ilościowym oraz dane materiałowe zastępczego modelu fizycznego. Analiza ta ukazała również warunki prowadzonych testów i stosowanych narzędzi do symulacji numerycznych (odpowiednie oprogramowanie). Opierając się na autorytetach w tej dziedzinie wykazał zalety i wady poszczególnych modeli numerycznych, które stosowane są w ocenie urazowości wypadku komunikacyjnego. Z użyciem metod typu Multi-Body (MB), które były pomocne w symulacji kinematyki zdarzenia, a następnie wykorzystanie metody elementów skończonych (MES) uwypuklił metodykę szacowania wystąpienia urazu mózgu dla odpowiedniego stopnia AIS przy 50% prawdopodobieństwie wystąpienia ciężkości urazu. Operując parametrami fizycznymi takimi jak: prędkość liniowa i kątowa nadana w symulacji uderzającej głowie o odpowiednie podłoże starał się scharakteryzować wyniki symulacyjne MES rejestrowane jako: wielkości ciśnienia, naprężenia Hubera-Misesa oraz naprężenia ścinającego na korespondowanie ze stopniem odniesionego urazu głowy/mózgu. Przybliżył te charakterystyki w ujęciu różnych prędkości kontaktu głowy o symulowane podłoże z podziałem na część czołową, tylną i boczną głowy. W rezultacie zestawił najważniejsze rezultaty w tabelach. W tym między innymi porównanie analizowanych modeli głowy (biorąc pod uwagę typ siatki elementów skończonych, rodzaj użytych materiałów, uzyskiwane parametry oraz typ weryfikacji modeli), co było pomocne w dalszych pracach nad autorskim opracowaniem modelu numerycznego głowy na potrzeby niniejszej pracy doktorskiej. Przechodząc do założeń, do budowy autorskiego modelu głowy posłużył się wynikami szczegółowych analiz z literatury oraz dotychczasowymi doświadczeniami własnymi. Podał założenia i ograniczenia w opracowaniu modelu numerycznego głowy, a także określił etapy prac z uzyskaniem tego modelu i jego walidacji. W Identyfikacji parametrycznej modelu głowy szczególną uwagę skoncentrował na możliwości opracowania modelu 6
z zakresu części składowych (anatomii) mózgu. W modelu głowy założył 11 warstw mających znacząco różne własności materiałowe. Charakterystyki materiałowe tych warstw zestawił w tabelarycznych. Budowa już modelu została oparta na danych obrazowych uzyskanych z TK i RM dorosłego mężczyzny dostępnych w odpowiednim programie służącym segmentacji struktur tkanek miękkich i twardych. Obróbka modelu uwzględniała pewne uproszczenia (pominięto kości żuchwy) i była ukierunkowana nad jej jakościową formą. Po czym Autor przeszedł do dyskretyzacji modelu głowy posiłkując się specjalistycznym oprogramowaniem. Wykonanych szereg zabiegów, uwieńczył pełnym modelem głowy, który składał się z wcześniej przyjętych części. Gotowy model mógł poddać ocenie jakości siatki, której wyniki porównano z parametrami siatek modeli innych autorów. Wyniki zestawił w postaci graficznej i danych tabelarycznych celem pełniejszej oceny jakościowej. Zweryfikowany model głowy zaimplementował do odpowiedniego oprogramowania, które jest dedykowane do prowadzenia analiz odporności udarowej zjawisk szybkozmiennych (np. eksplozja MW). Na podstawie tego modelu Autor był w stanie przeprowadzić analizy i ocenić takie wielkości jak: ciśnienie, stan naprężenia zredukowanego wg hipotezy Hubera-Misesa, naprężenia na kierunkach głównych, naprężenia ścinające, stan odkształcenia zredukowanego wg hipotezy Hubera Misesa. Ostatecznie Doktorant dokonał weryfikacji modelu głowy na bazie krzywej ciśnienia w strefie mózgu otrzymanej z eksperymentu prezentowanego w pracy Nahum i in., 1977. Liczne wyniki zaprezentował na wykresach, z których można wnioskować stopień dopasowania modelu autorskiego z modelem prezentowanym w literaturze. W rozdziale piątym Autor rozprawy przystąpił ze zweryfikowanym modelem głowy do analiz urazowości głowy żołnierzy przewożonych w przedziale desantowym KTO z pełnym rynsztunkiem żołnierza. W analizach tych przyjął scenariusze uderzenia głowy o podłoże sufitu i uderzenia uzbrojenia w części twarzowe głowy na skutek eksplozji IED, które są następstwem odkształceń o dużych prędkościach. Rozpatrywał pięć scenariuszy, cztery dotyczyły symulowania głowy o powierzchnię sufitu z dwoma rodzajami pasów bezpieczeństwa i trzema wartościami przyspieszenia, które zaimplementował z badań poligonowych oraz dwa dotyczyły symulacji kontaktu broni z powierzchnią głowy. Zdarzenia te zostały zarejestrowane dla dwóch rodzajów oprogramowania celem możliwości weryfikowania wyników w ujęciu jakościowym. Maksymalne wartości przyspieszenia głowy zestawił w postaci tabelarycznej i licznych mapach rozkładu ciśnienia, naprężeń i odkształceń działającego na mózg, w określonych chwilach czasowych. Identycznie postąpił przy zestawieniu wyników z dynamicznego oddziaływania broni osobistej na głowę żołnierza. Rozdział szósty Doktorant poświęcił analizie oceny wyników prezentowanych w rozdziale piątym. Przeprowadzone wnioskowanie Doktoranta zaprowadziło do oceny wyników uzyskanych w skali ilościowej z oceną jakościową wyników w ujęciu kryterium urazowości. Zauważył, że znaczna część wyników wykracza poza zakres. Są to wyniki związane z najwyższym przyspieszeniem 7
bryły pojazdu i scenariuszami oddziaływania broni osobistej żołnierza na jego głowę. W rozdziale siódmym Autor pracy zestawił wnioski będące rezultatem dysertacji. Wnioski te odniósł do poprawy bezpieczeństwa przewożonych żołnierzy w pojazdach wojskowych, przeznaczonych do prowadzenia działań bojowych. Podkreślał, że model głowy jego autorstwa umożliwia analizę urazów głowy z zastosowaniem kryterium urazowości HIC określonym na podstawie parametrów kinematycznych, jak również pozwala oszacować prawdopodobieństwo wystąpienia urazu z użyciem wartości krytycznych stanu naprężenia, odkształcenia i ciśnienia w głowie. Zaznaczył, że dzięki hybrydowym metodom modelowania jest możliwe opracowanie tego typu modeli numerycznych wybranych części ciała człowieka i powiązanie ich z udarowym oddziaływaniem fali detonacyjnej generowanej przez różne formy MW. Polemizuje także z wartościami AIS przy jakich poziomach dochodzi do newralgicznych obrażeń głowy i przy jakim procentowym poziomie skali może wystąpić prawdopodobieństwo określonego urazu wybranych struktur głowy. Rozdział ósmy jest podsumowaniem pracy naukowej przez Doktoranta. W ramach tego podsumowania zwracał uwagę na różnego rodzaju elementy wyposażenia przedziału desantowego KTO wpływające na bezpieczeństwo bierne załogi. Wyeksponował także parametry fizyczne i biomechaniczne, z których szacowane są kryteria urazowości z użyciem metody MES. Uwypuklił także ważność przyjętej metodyki do osiągnięcia założonego celu pracy. Zaznaczył, że tego typu badania są jedynie pomocnym narzędziem do optymalizacji nowoczesnych konstrukcji w ujęciu bezpieczeństwa człowieka w otoczeniu człowiek-maszyna przy wymuszeniach impulsowych. Podkreślał, że zawsze należy dążyć do walidacji techniką eksperymentów poligonowych lub doświadczeń wypływających ze scenariuszy zdarzeń wypadków w aspekcie cywilnym czy militarnym. Określił wskazówki i kierunki dalszych prac możliwości wykorzystania autorskiego modelu głowy. 4. Ocena merytoryczna i uwagi Praca przygotowana została prawidłowo pod względem merytorycznym. Materiał symulacyjny i doświadczalny jest bardzo obszerny. Cel dysertacji: numeryczna analiza wpływu wybuchu IED na urazy głowy żołnierza w kołowym transporterze opancerzonym został zrealizowany wzorowo przez Autora. Do najważniejszych zalet rozprawy należy zaliczyć: rozbudowany model numeryczny głowy uwzględniający wszystkie struktury składowe tkanek miękkich i twardych, a w szczególności odwzorowanie anatomiczne mózgu człowieka, analizę procesu tworzenia poszczególnych struktur głowy przy wykorzystaniu specjalistycznego oprogramowania, skalowanie i weryfikację modelu numerycznego głowy w aspekcie obowiązujących norm i wymagań związanych z wypadkami komunikacyjnymi i normami wojskowymi odnoszonymi do impulsowego oddziaływania fali detonacyjnej i fali podmuchowej. Fala podmuchowa, 8
zwana także falą obciążenia propagująca się za falą uderzeniową dokonuje największych spustoszeń, analizę całej konstrukcji pojazdu KTO pod względem bezpieczeństwa biernego w wyniku kolizji z eksplodowanym ładunkiem wybuchowym i opracowanie modeli numerycznych pod kątem tworzenia scenariuszy oceny urazowości żołnierzy znajdujących się wewnątrz pojazdu, opracowanie modeli geometrycznych i numerycznych podstawowego wyposażenia żołnierza poprzez zastosowanie inżynierii odwrotnej, a także określenie interakcji zachodzących pomiędzy sobą w środowisku pojazd, siedzisko, manekin, ekwipunek, umiejętne i analityczne podejście do wygenerowanego problemu naukowego, umiejętne wykorzystanie wyników eksperymentalnych adoptowanych z badań prowadzonych w ramach projektu badawczego nr DOBR- BIO4/022/13149/2013 do potrzeb urealnienia symulowanych zjawisk przy określonych scenariuszach ewentualnych zdarzeń, które zostały określone na podstawie dotychczasowych doświadczeń działań militarnych we współczesnych konfliktach lokalnych, przeprowadzenie symulacji numerycznych w zakresie parametrycznej oceny modelu głowy człowieka i weryfikacja jej na bazie krzywej ciśnienia zaczerpniętej z pozycji literaturowej, która wcześniej została opracowana na obiekcie fizycznym, dużą zgodność wyników symulacji numerycznych z pewnym uwzględnieniem wyników badań doświadczalnych do wyników prezentowanych w literaturze przez uznanych badaczy w tym temacie, prawidłowe zestawienie wniosków i ich interpretacja zarówno z modeli numerycznych, jak i badań doświadczalnych, bardzo obszerny zestaw wyników badań zestawiony w postaci tabel i wykresów, stanowiących cenny materiał w procesie oceny urazowości głowy przedziałów załogowych wozów bojowych narażonych na oddziaływanie impulsu ciśnienia fali detonacyjnej, możliwość wykorzystania wyników w praktyce na potrzeby poprawy bezpieczeństwa biernego pojazdów nie tylko w zastosowaniach wojskowych, ale także i cywilnym, czy wszelkiego rodzaju struktur ochronnych głowy w sportach ekstremalnych i codziennej egzystencji człowieka. Obszerność opracowania naukowego świadczy o dużej dojrzałości naukowej Autora. Dowodem jest jego samodzielność w generowaniu scenariuszy problemowych i realizacji celi szczegółowych oraz ich rozwiązywaniu w sposób logiczny i kompleksowy, aż do wyciągania konstruktywnych wniosków z proponowaniem kierunku dalszych działań. Praca zawiera, także pewne fragmenty wymagające dyskusji i wyjaśnienia ze względu na ujęte skróty myślowe lub zawarte ograniczenia, które nie ujęto w części opisowej poszczególnych rozdziałów. Szerszego wyjaśnienia wymaga: 9
zaprezentowany wykres impulsu przyspieszenia (rys. 48, s. 53) jest charakterystyką uzyskaną w symulacji numerycznej z wykorzystaniem algorytmu CONWEP. W jakim stopniu te przyspieszenia korespondują z wynikami wykonanymi na obiekcie rzeczywistym? Wyniki są opatrzone tylko krótkim komentarzem o źródle ich pozyskania, a w dalszych rozdziałach Autor przyjmuje zakresy tych wartości przy ilościowym określeniu parametrów wpływających na ocenę urazowości głowy (por. Tabela 14 s. 137), kontynuując dalej charakterystykę tych wartości (rys. 48) trudno jest to odnieść do wyniku zarejestrowanego na obiekcie rzeczywistym (rys. 45, s. 51). Rozumiem, że porównanie wyników z kadłuba TO SKOT do KTO Rosomak jest pewnym nieporozumieniem. Niemniej proszę o skomentowanie zarejestrowanego przebiegu impulsu przyspieszenia z badań poligonowych: w jaki zakresie dały wyobraźnię Autorowi, co do występujących przeciążeń podczas detonacji MW pod pojazdem, zarejestrowane wartości maksymalnych przyspieszeń głowy, miednicy w eksperymencie (rys. 46, s. 51 i rys. 47, s. 52) zostały wykonane na fotelu antywybuchowym jak wynika z rys. 44, s. 50, natomiast w dalszej części pracy Autor realizował badania z wykorzystaniem odwzorowanego fotela fizycznego montowanego w KTO, który nieco się różni od dedykowanych. Jak w takim razie wartościować te parametry? Doktorant wykonał spory nakład pracy na opracowanie modeli numerycznych TO SKOT i w końcowym efekcie walidował te modele. Wobec powyższego na ile uzyskane wyniki mogły zostać odniesione do zasadniczych analiz szacowania kryteriów urazowości głowy w przyjętych scenariuszach (rozdział 5)? w rozdziale 4 obszernie opisano metodykę opracowania modelu głowy. Autor moim zdaniem pominął ważny aspekt, a mianowicie nie odniósł się do tępego urazu głowy wyrażanego parametrem BC (Blunt Criterion) wynikiem, czego może być analiza zakresów powierzchniowego oddziaływania udarów na głowę. Parametr nie jest wymieniany w dokumencie normatywnym NATO AEP-55, Volume 2, to czy zdaniem Autora warto się nad tym parametrem pochylić? na s. 82 Doktorant podał, że struktury kostne modelowane będą z użyciem materiałów o właściwościach izotropowych. Jak w takim przypadku to uproszczenie wpłynie na jakościową ocenę modelu głowy skoro wiadomo, że kości posiadają złożoną strukturę, zaprezentowane wyniki weryfikacji modelu głowy (s. 111) korelują poprawnie, a na rys. 114 krzywa (prawostronny przedział) znacznie się odchyla od krzywej referencyjnej. W komentarzu wyników nie odniesiono się do tego wyniku. Proszę o komentarz, na s. 112 Autor przyjął 3 wartości przyspieszenia. Niemniej jednak odnosząc je do rys. 48, s. 53 zarejestrowane wartości są nieco inne. Skąd przyjmowanie wartości przyspieszenia 250 i 300 g? zdaniem Autora: czy zasadnym byłoby odniesienie uzyskanych wyników przyspieszenia do krzywej tolerancji Wayne przyjmując wartości progowe według DOT 218 czy ECE 22.05? 10
nie jasno określono, dla jakich wartości przyspieszenia symulowano scenariusze oddziaływania udarowego broni na głowę żołnierza. Proszę o komentarz, w Tabeli 14, s. 117 podano wyniki dla 260 g. Czy jest to błąd redakcyjny, czy faktycznie przyjęto taką wartość? zaprezentowane wyniki z symulacji numerycznych w postaci map rozkładu odkształceń i naprężeń (rys. 122, rys. 128, rys. 134, rys. 141, rys. 148) Autor przyjął po jednym elemencie skończonym po grubości. Dlaczego zastosowano jeden element? Wiadomo, że taka dyskretyzacja prowadzi do rozbieżnych wyników, a z doświadczenia wiadomo, że należy przyjmować >3 elementy po grubości, uwaga do symulacji oddziaływania elementu stopki kolby na kość korową czaszki: czy tutaj nie należało zagęścić siatkę celem precyzyjnego oszacowania powierzchni obszaru oddziaływania udaru na głowę, generalna uwaga odnosi się do analiz uderzenia głowy w powierzchnię sufitu KTO. Symulacje wykonano bez nakrycia głowy, co też jest cennym wynikiem, ale transport żołnierzy odbywa się w hełmach. Czy zasadnym byłoby opracować tego typu scenariusze? Autor przy analizie oddziaływania udarowego broni na czaszkę głowy przyjął tylko scenariusz, w którym impaktorem jest element kolby. Często też broń jest przewożona wylotem lufy skierowanym do góry. W takim scenariuszu obrażenia były zapewne bardziej drastyczne. Czy zdaniem Autora należy pominąć ten scenariusz? 5. Ocena redakcyjna Praca zredagowana jest poprawnie w sposób zrozumiały z właściwą systematyką rozwiązywanych zagadnień. Zawiera w swej kompozycji sporą ilość skrótów i wzorów matematycznych. Brak jest stosownego wykazu ważniejszych oznaczeń i skrótów, który jest umieszczany po spisie treści. Kolejna zasadnicza uwaga dotyczy redagowania wzorów matematycznych, co do których Autor powinien zastosować ogólnie przyjęte prawidła, a mianowicie zmienne pisze się kursywą natomiast stałe prosto, pogrubienie stosowane jest w stosunku do zapisu macierzowego, a zapis wektorowy wymaga zastosowania kreski lub strzałki nad daną zmienną, albo pogrubienie (jak macierz). Numeracja wzorów powinna być wyrównana do prawego marginesu. W niektórych częściach pracy wykonane rysunki są o słabej rozdzielczości, co sprawia, że są mało czytelne i przejrzyste, zwłaszcza zawarte legendy (np. rys. 46). Autor zamiennie stosuje zapis przyspieszenie, przyśpieszenie. Na podstawie słownika ortograficznego języka polskiego PWN obie formy są poprawne, ale należy się zdecydować na jedną formę zapisu. Pozostałe drobne uwagi i błędy redakcyjne zostały zaznaczone w tekście pracy i przekazane Autorowi, natomiast uwagi dyskusyjne pozwolę sobie przytoczyć: 11
wzór (1) powinien zostać zapisany postaci skalarnej, a jego lewa strona jest pogrubiona, co świadczy o przyjęciu zapisu przyspieszenia w postaci wektorowej, ta samu uwaga do zapisu wzoru (2), (3), (4), (5) i (6), zapis częstotliwość drgań własnych należy zastąpić częstość drgań własnych, Autor posługuje się językiem potocznym w definiowaniu nazewnictwa broni ręcznej (s. 59). Należy stosować prawidłowe nazewnictwo np.: 5,56 mm karabinek kbks Beryl, 7,62 mm karabin maszynowy km PKM czy 12,7 mm wielkokalibrowy karabin wyborowy WKW, spis literatury powinien być wykonany jednolicie przyjmując określony styl bibliograficzny. 6. Ocena końcowa W końcowej ocenie wartości poznawczej i aplikacyjnej recenzowanej rozprawy doktorskiej mgr. inż. Michała Burkackiego Modelowanie wpływu zjawisk szybkozmiennych na urazy głowy uważam, że jej treść doskonale prezentuje metodykę modelowania kryteriów urazowości głowy żołnierza transportowanego pojazdami wojskowymi w wyniku, którego następuje oddziaływanie impulsowe IED. Autor zaprezentował obszerny materiał z analiz numerycznych poparty bogatymi badaniami weryfikacyjnym odniesionymi do wskaźników definiowanych w odpowiednich normach i ujętych w stosunku do uznanych modeli głowy w środowisku. Zaprezentował szereg wyników na przykładzie oceny bezpieczeństwa żołnierzy przebywających w przedziale załogowym KTO Rosomak. Doktorant wykazał się umiejętnością właściwego doboru materiału, metod i narzędzi badawczych, zwłaszcza łączenia różnego rodzaju oprogramowania do osiągniecia założonego celu rozprawy, jakim było opracowanie numeryczne głowy człowieka. Posiada odpowiednie umiejętności w krytycznej analizie i dyskusji uzyskanych wyników. Mimo drobnych potknięć zawartych w ocenie redakcyjnej, które mają jedynie charakter korektorski oraz pewnych uwag w ocenie merytorycznej stanowiących podstawę do dyskusji na obronie, nie pomniejsza to mojej bardzo wysokiej oceny osiągnięć Autora opracowania. Jednocześnie zwracając uwagę na samą sylwetkę Doktoranta w aktywności naukowej, czego przykładem są publikacje dołączone do pracy doktorskiej pragnę podkreślić duże ambicje i walory młodego naukowca. Doktorant legitymizuje się publikacją ujętą w bazie JCR oraz czterema pozycjami indeksowanymi przez WoS CC, a także sporym pozostałym dorobkiem publicystycznym. Szczególnie pragnę podkreślić, jakość i dobór zarówno standaryzowanych narzędzi badawczych, jak i własnego autorstwa tj. modyfikacji ich na potrzeby niniejszej pracy. Wobec powyższego wnioskuję o jej wyróżnienie. Zasadniczym argumentem są opracowane wyniki zawarte w rozdziałach 4-6. Ponadto oryginalność otrzymanych rezultatów w zagadnieniach tego typu, gdzie weryfikacja w warunkach rzeczywistych nigdy nie będzie w pełni możliwa stanowi diagnozę do optymalizacji 12
bezpiecznych konstrukcji i stawia wyzwanie do minimalizacji urazów człowieka generowanych przez różne jego formy wraz z postępem cywilizacyjnym. Reasumując recenzowana praca spełnia wymogi dotyczące przewodu doktorskiego, określone w Ustawie z dnia 14 marca 2003 roku o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz.U. Nr 65, poz. 595, z późn. zm). Biorąc powyższe pod uwagę wnioskuję o dopuszczenie Pana mgr. inż. Michała Burkackiego do publicznej obrony rozprawy doktorskiej.. 13