dr hab. inż. Jerzy Małachowski, prof. nadzw. WAT Warszawa, 08.06.2018 r. Wydział Mechaniczny Wojskowa Akademia Techniczna Ul. Gen. Witolda Urbanowicza 2 Tel.: +48 261 839 140 E-mail: jerzy.malachowski@wat.edu.pl Recenzja rozprawy doktorskiej pt. Modelowanie wpływu zjawisk szybkozmiennych na urazy głowy napisanej przez mgra inż. MICHAŁA BURKACKIEGO 1. Podstawa opracowania Podstawę opracowania stanowi pismo Prodziekana ds. Nauki Wydziału Inżynierii Biomedycznej Politechniki Śląskiej prof. dra hab. inż. ZBIGNIEWA PASZENDY, podyktowane decyzją Rady Wydziału z dnia 12.04.2018 r. i dołączona do niego rozprawa doktorska mgra inż. MICHAŁA BURKACKIEGO pt. Modelowanie wpływu zjawisk szybkozmiennych na urazy głowy. Promotorem rozprawy jest dr hab. inż. WOJCIECH WOLAŃSKI, prof. Politechniki Śląskiej, a promotorem pomocniczym dr inż. KAMIL JOSZKO. 2. Omówienie pracy Recenzowana praca została napisana na 162 stronach maszynopisu formatu A4; składa się z 8 rozdziałów, bibliografii, wykazu stron internetowych użytych w pracy oraz dwóch załączników. Rozprawa w całości napisana jest w języku polskim. Spis literatury zawiera 101 pozycji. Tytuły poszczególnych rozdziałów są następujące: (1) Wstęp; (2) Cel i zakres pracy; (3) Modelowanie kołowego transportera opancerzonego (KTO) wraz z załogą; (4) Model głowy człowieka; (5) Analiza urazowości głowy; (6) Analiza wyników; (7) Wnioski; (8) Podsumowanie. Zakres pracy doktorskiej obejmuje zagadnienia bezpieczeństwa i oceny ryzyka powstania urazów u żołnierzy pełniących swoją służbę podczas działań patrolowych w pojazdach typu kołowym transporterze opancerzony (KTO), które narażone są na działania o charakterze terrorystycznym. Autor przeprowadził numeryczną analizę wpływu wybuchu IED pod pojazdem na urazy żołnierzy przewożonych w KTO z wykorzystaniem dwóch wybranych metod komputerowych mechaniki w ujęciu dynamicznym, tj. metody układów wieloczłonowych oraz metody elementów skończonych MES. Autor dla realizacji celu pracy Strona 1 z 8
opracował model kołowego transportera opancerzonego wraz z uwzględnieniem załogantów i ich wyposażenia. Pozwoliło to Doktorantowi prowadzić wielowariantowe analizy z uwzględnieniem czynników mogących wpływać na bezpieczeństwo żołnierzy podczas wybuchu IED pod pojazdem. Autor doszedł do szeregu ciekawych i praktycznych wniosków, jak np. to, że używanie pasów czteropunkowych zapewnia dostateczny poziom bezpieczeństwa w stosunku do klasycznych dwupunktowych oraz że ustawienie oparcia siedziska pod kątem wynoszący 100 stopni pozwala na spełnienie kryteriów urazowości. Praktycznym wnioskiem, który dotyczy wymogów co do eksploatacji wozów bojowych, jest potwierdzenie konieczności mocowania wszystkich luźnych elementów ekwipunku żołnierza w pojedzie, gdyż niezamocowane w przypadku wybuchu IED pod pojazdem mogą w konsekwencji powodować poważne urazy wśród załogantów. Kolejnym i bardzo ważnym aspektem pracy było podjęcie przez Doktoranta problemu urazowości głowy żołnierza w momencie zderzenia z elementem wyposażenia, czy też uderzenia o skorupę pojazdu. Autor wyselekcjonował najgroźniejsze scenariusze i przeprowadził takie analizy na drodze badań numerycznych. Opracowane modele w tym przypadku bazowały na metodzie elementów skończonych. Dużo wysiłku na tym etapie badań wymagało opracowanie modelu głowy i zweryfikowanie go z wynikami dostępnymi w literaturze. Autorski model głowy pozwolił na analizę skutków oddziaływań dynamicznych na poszczególne struktury głowy. Wyniki przeprowadzonych symulacji pozwoliły na ocenę parametrów decydujących o urazie głowy żołnierza podczas wybuchu IED oraz umożliwią w przyszłości opracowanie bardziej restrykcyjnych wytycznych służących poprawie ich bezpieczeństwa. Model ten w opinii Doktoranta pozwala także na ocenę możliwości wystąpienia urazu w innych sytuacjach np. wypadków samochodowych, jak też sprawdzenia i oceny konstrukcji hełmów i kasków z punktu widzenia bezpieczeństwa użytkowników i ochrony ich przed potencjalnymi uderzeniami. Autor dysertacji ma też jednak świadomość, że najbardziej dokładne analizy numeryczne nie są w stanie zastąpić wyników, które dostarczają próby eksperymentalne danych pozyskiwanych z rzeczywistych wypadków. Bardzo cenna jest też wskazówka dotycząca uzbrajania żołnierzy lub też kierowców pojazdów w czujniki rejestrujące poziom powstałych przeciążeń w trakcie zderzenia/wypadku. Uzyskane dane z pewnością byłyby pomocne podczas podejmowania decyzji przez oddziały ratunkowe, które w oparciu o szybką ocenę sytuacji zastanej na miejscu zdarzenia zmuszone są decydować o podjęciu i kwalifikacji udzielenia pierwszej pomocy i dalszym sposobie diagnozy/leczenia. Rejestracja takich zdarzeń w bazie i ich analiza z pewnością pozwoliłaby zminimalizować skutki ewentualnych błędnie podjętych decyzji wymuszonych w wielu przypadkach presją upływającego czasu. Dodatkowo baza taka zawierałby dokładny opis obrażeń żołnierzy i parametrów im towarzyszącym, Strona 2 z 8
co w konsekwencji umożliwiłoby dokładną analizę urazów zachodzących w ciele np. żołnierza, a uzyskane rezultaty niewątpliwie wpłynęłyby na ulepszenie dostępnych rozwiązań poprawiających bezpieczeństwo żołnierzy zaangażowanych w działaniach militarnych. Wyniki swoich badań Autor zawarł w 1 publikacji z listy JCR (lista A MNiSW), w 7 rozdziałach zawartych w opracowaniach zbiorowych (w tym 4 z nich są indeksowane w bazie Web of Science) oraz w 30 materiałach konferencji międzynarodowych i seminariów krajowych i w publikacjach w czasopismach z listy B MNiSW z wyraźnym naciskiem na te pierwsze. Jest to dorobek znacznie przekraczający stawiane wymagania w przypadku realizacji prac doktorskich. 3. Uwagi krytyczne, pytania merytoryczne oraz dyskusyjne Po zapoznaniu się z treścią całej rozprawy, Recenzent chciałby otrzymać odpowiedzi na następujące kwestie oraz wyraża swoje następujące wątpliwości: 1) Jak należy rozumieć użyte przez Doktoranta stwierdzenie (strona 11) elastyczne mechanizmy urazu: siła ściskająca działająca na ciało powoduje uraz w momencie przekroczenia granicy plastyczności, kiedy wiadomo, że szereg materiałów występujących w ciele człowieka charakteryzuje się bardzo dużą hiperelastycznością i bardzo dużą wrażliwością na szybkość odkształcenia powodując znacznie umocnienie materiału w momencie wygenerowania w nim fali odkształcenia. Dodatkowo niezrozumiałe jest też dla Recenzenta stwierdzenie przyspieszenie powoduje rozdarcie wewnętrznych struktur w związku z działaniem sił bezwładności. 2) W schemacie ideowym prowadzonych symulacji komputerowych przez Doktoranta brak jest zapisu o warunkach początkowych (Rys. 12, strona 20). Ten problem występuje także w późniejszych opisach. 3) W opinii Recenzenta, zamiast stwierdzenia (strona 22) Dla przestrzenni proces dyskretyzacji może być przeprowadzony za pomocą elementów tetrahedralnych, piramidowych, pryzmatowych oraz heksahedralnych. Bardziej właściwym jest użycie sformułowania mówiącego o elementach tetragonalnych i heksagonalnych. 4) Z punktu widzenia prowadzonych badań za zbyt ogólnikowe należy uznać użyte prze Doktoranta stwierdzenie (strona 22) nadaje się do badania wielu wariantów symulacji. 5) Nie jest celowym zapis wykonany przez Doktoranta (strona 38) Charakterystyki te są zaimplementowane w modelu manekina przez dostawcę oprogramowania., Strona 3 z 8
gdyż przy braku szczegółowego opisu badanego zjawiska/modelu można odnieść wrażenie, że obsługujący program jest tylko inżynierem nie wgłębiającym się w fizykę badanego zagadnienia. 6) Czy Doktorant dokonując modelowania hełmu i uzbrojenia żołnierza dokonał ich weryfikacji masowej i bezwładnościowej? 7) Nie jest zrozumiałe dla Recenzenta dokonywanie przez Doktoranta weryfikacji/walidacji procedury modelowania kołowego pojazdu opancerzonego w oparciu o wycofany z eksploatacji Średni Kołowy Opancerzony Transporter, który znany także pod oznaczeniem OT-64 (z języka czeskiego Střední Kolový Obrněný Transportér, w skrócie SKOT). Zarówno użyte materiały, jak też rozwiązania konstrukcyjne w pojazdach tego typu znacznie odbiegają od najnowszych trendów i nowinek technologicznych zastosowanych w pojeździe KTO Rosomak będącym głównym obiektem badań bezpieczeństwa żołnierzy Sił Zbrojnych RP stosowanych na misjach. Nie pomniejsza to jednak w żaden sposób uzyskanej przez Doktoranta bardzo dużej korelacji wyników badań modelowych z wynikami eksperymentalnymi. 8) Zapis Doktoranta (strona 62) Trzymanie broni pomiędzy nogami tak, jak ma to miejsce w rzeczywistości może powodować odbicie się karabinu od podłogi. nie odzwierciedla warunków regulaminowych zwartych w zasadach przewozu żołnierzy. Równie dobrze można opracować szereg innych scenariuszy, które są równie niebezpieczne i narażające na uszczerbek na zdrowiu żołnierzy pełniących swoją służbę w warunkach misji stabilizacyjnych. 9) Autor w rozdziale 4 dokonuje przeglądu literatury w zakresie modeli głowy stosowanych w analizach komputerowych w dużej mierze odzwierciedlających co najwyżej urazy wypadków samochodowych. W literaturze światowej opisane są także modele opracowane na potrzeby badań żołnierzy w warunkach bojowych, w tym także zachowania się głowy/mózgu w wyniku oddziaływania fali podmuchowej (eksplozji) powstałej w bliskiej odległości od osoby narażonej na takie działania (np. X. G. Tan, Andrzej J. Przekwas, R. K. Gupta, Computational modeling of blast wave interaction with a human body and assessment of traumatic brain injury, July 2017, Shock Waves 27(6):1-16; X Gary Tan, Andrzej J. Przekwas and Raj K Gupta, Computational Modeling of Blast Induced Human Injury Biomechanicsand Traumatic Brain Injury, Journal of Trauma & Treatment, 2017, 6:5, DOI: 10.4172/2167-1222.1000399 i szereg innych prac). Pragnę nadmienić, iż charakterystyki wymuszeń dla tego typu przypadków są znaczniej Strona 4 z 8
bardziej restrykcyjne i charakteryzują się wartościami nawet o 2 lub 3 rzędy wyższymi. 10) W opinii Recenzenta skorygowaniu wymaga użyte przez Doktoranta stwierdzenie w modelu dla kości czaszki z uwzględnieniem możliwości przerwania siatki (material failure). 11) Ciąg 14 cytacji [77,78,79,80,81,82,83,84,85,86,87,88,89,90] zawarty w jednym stwierdzeniu nie pozwala na analizę i przypisanie, które z aspektów były podnoszone przez poszczególnych autorów. 12) W opisie generowania modelu dyskretnego głowy za cenny element podsumowujący ten rozdział w opinii Recenzenta, należałoby uznać opracowanie szczegółowego algorytmu rozwijania takiego modelu z jasno zdefiniowanymi kryteriami na każdym z etapów. Część jednak zawartych w tym rozdziale zapisów ma charakter bardziej inżynierski niż naukowy. 13) Zapis z warunkiem na stronie 103, że najmniejszy bok elementu wpływa na definiowanie kroku czasowego analizy według warunku Couranta-Friedrichsa- Lewy ego jest tylko częściowo słuszny, gdyż do pełnego oszacowania krytycznej wartości kroku całkowania równań różniczkowych cząstkowych (w analizowanym zagadnieniu dotyczy metody MES) niezbędna jest także informacja o parametrach tłumienia, sztywności oraz gęstości masy, a sam warunek nie dotyczy długości krawędzi elementu, a tzw. długości charakterystycznej, czyli np. wielkości otrzymanej z podzielenia objętości elementu dyskretnego przez pole powierzchni jednej ze ścian; w większości przypadków przyjmuje się pole maksymalne, by długość ta miała jak najmniejszy wymiar. 14) Warunek 5% energii wewnętrznej wiąże się z oceną wielkości tzw. energii pasożytniczej i wynika z faktu zapewniania braku bilansu energetycznego w samym elemencie skończonym z uwagi na zredukowaną liczbę punktów całkowania. 15) Budując model dyskretny głowy Doktorant pominął szereg układów warstw, które są m. in. z punktu widzenia mechanicznego odpowiedzialne za zjawisko tłumienia fali odkształcenia powstałej w wyniku kontaktu dynamicznego ciał; w tym zagadnieniu jest także możliwość włączenie zjawiska tłumienia. Ten opis z pewnością powinien się znaleźć w późniejszych publikacjach Autora opracowanych po obronie rozprawy. 16) Problematyka przejścia fali w ośrodku mózgowym nie jest wystarczająco zaprezentowana. Brakuje wykresów przedstawiających zmianę charakterystyk Strona 5 z 8
w czasie dla wybranych obszarów mózgu, szczególnie wrażliwych z powodu występujących różnic ciśnień i związanych z tym faktem występowania obszarów z wyraźnie podniesioną wartością naprężenia ścinającego. 17) Bardzo ważnym aspektem i nie dyskutowanym w pracy jest problem opisu numerycznego samego mózgu, który z uwagi na swoją strukturę i budowę w zaawansowanych modelach znanych w literaturze światowej wykonuje się z wykorzystaniem praw mechaniki płynów (tzw. ujęcie Computational Fluid Dynamics), np. w opisie współrzędnych Eulera i z odzwierciedleniem procesu interakcji z ciałami strukturalnymi realizowanymi w opisie mechaniki ośrodków ciągłych realizowanym w zapisie współrzędnych Lagrange a. Stąd też budzi się wątpliwość odnośnie sposobu wyznaczenia wartości ciśnienia, które w takim przypadku wymaga wykorzystania równań stanu z uwzględnieniem wpływu efektów lepkościowych. W pracy zrealizowano szacowanie tej wielkości poprzez wyznaczenie wartości aksjatora (stanu hydrostatycznego) wyłącznie w oparciu o zmianę objętości elementów. 18) Realizacja opisu części struktur kostnych głowy z wykorzystaniem tylko jednej lub dwóch warstw elementów skończonych powoduje efekt przesztywnienia, a zarazem budzi wątpliwość szczególnie w momencie poprawnego odwzorowania powstałych stanów giętnych tej warstwy wskutek uderzenia z nieodkształcalnym ciałem, tym bardziej podważając wyznaczone wartości stanu naprężenia/odkształcenia. 19) Co oznacza użyty przez Autora zwrot membrana mózgu, kiedy takiego opisu (takiego rodzaju elementu) w ujęciu metody elementów skończonych Doktorant nie używał? 20) Sugeruję także wyznaczenie finalnej wielkości i gęstości siatek modeli dyskretnych MES w oparciu o techniki adaptacyjne (np. technika h-adaptive) na wycinku modelu i następnie na tej bazie rozwinięcie modelu pełnego. W pracy zauważalne są też pewne błędy natury redakcyjnej (edytorskiej), do których można zaliczyć m. in.: 1) błędny zapis iloczynu we wzorze (4), 2) numeracja wzorów (strona 16) lub jej brak (np. strona 21 lub 22), 3) błędnie zapisany wzór (6), 4) błędnie zapisana indeksacja w wielkościach opisujących chwile czasu i oznaczenie przedziału czasu np. dla potrzeb całkowania równania ruchu, Strona 6 z 8
5) niskiej jakości grafiki prezentujące przebiegi danych wielkości, a szczególnie słabo widoczne wielkości na osiach lub w legendach (np. tabela 11), 6) część wykresów posiada np. wartość przyspieszeń wyrażona w m/s 2 (np. rys. 47), a część jako wielokrotność przyspieszania ziemskiego g (np. rys. 48). 4. Ocena końcowa przedłożonej rozprawy Przedstawiona do recenzji rozprawa doktorska charakteryzuje się walorem aplikacyjnym i wskazuje na uzasadnioną potrzebę badań w przedmiotowym zagadnieniu. Jest to potwierdzone przez Doktoranta zarówno poprzez przeprowadzone studium bibliografii, jak też fakt uczestnictwa w projekcie AFGAN, którego celem jest zwiększenie bezpieczeństwa polskich żołnierzy służących w ramach misji stabilizacyjnych. Autor wyraźnie wykazał, że w wyniku swoich prac zweryfikował szereg wytycznych regulaminowych związanych z przewozem żołnierzy w kołowych transporterach opancerzonych. Omawiana rozprawa posiada także wartość poznawczą, identyfikacyjną i stanowić może duży wkład do modyfikacji już obowiązujących procedur. Zawiera także celny wniosek praktyczny pokazujący potrzebę wyposażenia żołnierzy w indywidulane czujniki rejestrujące przeciążenia. Na wartość naukową rozprawy składają się w opinii Recenzenta następujące elementy autorskie (oryginalne): 1) rozwinięcie autorskich modeli opisujących wybrane scenariusze związane z przewozem żołnierzy w pojazdach, w tym modele żołnierzy i pojazdów, 2) rozwinięcie autorskiego modelu numerycznego głowy i testowanie w warunkach dynamicznych oraz sprawdzenie kryteriów urazowości. Równocześnie Recenzent pragnie zauważyć, że mimo licznych uwag i propozycji korekt (uzupełnień), Doktorant podjął się bardzo ważkiego i trudnego problemu, który nie zawsze daje możliwość walidacji eksperymentalnej. Stąd też należy pamiętać, by na każdym etapie badań (podstawowym i etapowym) dokonywać takich porównań, gdyż dzięki temu możliwe jest podniesienie wiarygodności otrzymanych wyników końcowych. Recenzent chciałby podkreślić, iż podjęty przez Doktoranta cel został osiągnięty, a wskazane uwagi mają za zadanie wytyczyć kierunki rozwijania kolejnych etapów badawczych w rzeczowym zakresie i stanowić inspirację do wyznaczenia coraz to bardziej ambitnych celów naukowych. Doktorant wykonał pracę doktorską z wykorzystaniem najnowszych metod i narzędzi stosowanych w badaniach i analizach naukowych. Bez wątpienia, zaprezentowane wyniki mogą posłużyć do złożenia artykułów w wysoko punktowanych czasopismach z listy JCR. Strona 7 z 8
5. Wniosek końcowy Recenzent stwierdza, że przedstawiona dysertacja doktorska spełnia wymagania stawiane pracom doktorskim przez ustawę O stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. Nr 65, poz. 595, z dnia 14 marca 2003 roku, z późn. zm.) i stawia wniosek o dopuszczenie do publicznej obrony rozprawy doktorskiej mgra inż. MICHAŁA BURKACKIEGO. Strona 8 z 8