摘要: 底部爆炸沖擊極易造成裝甲車輛乘載員脊柱損傷,為全面了解底部爆炸沖擊作用下的乘員脊柱各節(jié)段損傷行為和風(fēng)險(xiǎn),通過(guò)基于高生物逼真度人體有限元模型的數(shù)值仿真模擬典型底部爆炸沖擊下乘員脊柱的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程,融合運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和生物力學(xué)響應(yīng)研究脊柱各節(jié)段潛在的損傷行為,并利用生物力學(xué)指標(biāo)分析不同受載工況和防護(hù)座椅設(shè)計(jì)參數(shù)下乘員脊柱的損傷風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明:C4~T3 段脊柱后伸過(guò)展是棘突、橫突和椎間盤纖維環(huán)的主要致傷因素,T7~T12 段脊柱損傷主要受前屈過(guò)彎和軸向壓縮共同作用,腰椎軸向壓縮導(dǎo)致椎體前側(cè)和椎間盤髓核處高損傷風(fēng)險(xiǎn);脊柱各節(jié)段損傷風(fēng)險(xiǎn)隨受載加速度峰值增大而提高,抗爆座椅防護(hù)下頸椎仍存在高骨折風(fēng)險(xiǎn);減小座椅懸架剛度可降低乘員脊柱的損傷風(fēng)險(xiǎn),但在0.6~1.2 kN·s/m 范圍內(nèi)改變座椅懸架阻尼對(duì)乘員脊柱的損傷風(fēng)險(xiǎn)無(wú)明顯影響。
關(guān)鍵詞: 底部爆炸;脊柱損傷;人體模型;生物力學(xué)
中圖分類號(hào): O383.1 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼: 13035 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
地雷和簡(jiǎn)易爆炸裝置(improvised explosive device, IED)是非對(duì)稱作戰(zhàn)時(shí)的主要反裝甲武器,其在裝甲車輛底爆炸時(shí)所釋放的巨大能量對(duì)車內(nèi)人員造成嚴(yán)重威脅,底部爆炸(under-body blast,UBB)引起的沖擊過(guò)載易導(dǎo)致脊柱嚴(yán)重?fù)p傷[1-3]。因此,開(kāi)展底部沖擊下的裝甲車乘員脊柱損傷和防護(hù)研究對(duì)于保障裝甲士兵生命安全和提升裝甲裝備戰(zhàn)力性能具有重要意義。
目前,采用尸體( post-mortem human subjects, PMHS)的生物力學(xué)試驗(yàn)、基于擬人化測(cè)試設(shè)備(anthropomorphic test device,ATD)及其數(shù)值模型的物理試驗(yàn)和仿真以及應(yīng)用人體數(shù)值模型的仿真分析是UBB 工況下裝甲車乘員損傷和防護(hù)研究的主要途徑。PMHS 生物力學(xué)試驗(yàn)主要采用滑車、落錘和杠桿試驗(yàn)臺(tái)對(duì)尸體脊柱節(jié)段或整人樣本進(jìn)行沖擊加載來(lái)模擬UBB 沖擊損傷過(guò)程,通過(guò)測(cè)量尸體樣本動(dòng)力學(xué)響應(yīng)信號(hào)和解剖掃描試驗(yàn)后樣本進(jìn)行損傷機(jī)理和耐受度分析,現(xiàn)有的PMHS 試驗(yàn)研究對(duì)下肢、盆骨和腰椎UBB 損傷行為形成了較全面認(rèn)識(shí)[4-7],整人層面的PMHS 試驗(yàn)數(shù)據(jù)為ATD 和人體數(shù)值模型的有效性驗(yàn)證提供了對(duì)標(biāo)通道[8-9]。但受倫理和成本限制PMHS 試驗(yàn)無(wú)法在國(guó)內(nèi)開(kāi)展,且PMHS 試驗(yàn)受數(shù)據(jù)采集手段約束,難以洞察人體組織層面的生物力學(xué)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。從而,國(guó)內(nèi)研究者大都采用以假人為主要代表的ATD 開(kāi)展試驗(yàn)和仿真分析[10-11]。目前主流的ATD 為Hybrid-III 50 百分位假人及其有限元模型,其主要被用作測(cè)試工具來(lái)評(píng)價(jià)和改進(jìn)車體設(shè)計(jì)、座椅設(shè)計(jì)和穿戴裝備設(shè)計(jì)等。ATD 假人兼具試驗(yàn)和仿真研究的可行性和可對(duì)比性,為極端沖擊載荷下的人體損傷防護(hù)裝備研究提供了重要工具,但ATD 假人的機(jī)械式結(jié)構(gòu)生物逼真度有限(如:剛性骨盆和胸椎),難以用于涉及人體損傷機(jī)理和生物力學(xué)的深入分析。近年來(lái),隨著高生物逼真度人體數(shù)值模型在汽車碰撞安全研究領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,部分研究者開(kāi)始通過(guò)人體數(shù)值模型分析底部爆炸沖擊下的乘員響應(yīng)[12-14]。GHBMC(global human body models consortium)50 百分位男性人體有限元模型首次通過(guò)UBB 模擬工況下的PMHS 動(dòng)力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了生物逼真度驗(yàn)證[12],該模型還被應(yīng)用于分析UBB 環(huán)境下的乘員骨盆響應(yīng)和損傷風(fēng)險(xiǎn)[13]。此外,中國(guó)體征人體有限元模型(Chinese human body model,C-HBM)也在UBB 下肢和腰骶損傷及防護(hù)研究中得到應(yīng)用[14-15]。雖然人生物力學(xué)體模型在UBB 乘員損傷研究方面已有一定應(yīng)用,但現(xiàn)有研究少有關(guān)注人體整個(gè)脊柱的動(dòng)態(tài)響應(yīng),仍有待進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)不同脊柱節(jié)段的響應(yīng)特征和損傷行為。另外,當(dāng)前抗爆座椅是乘員UBB 損傷防護(hù)的主要裝備[16-17],可通過(guò)借助高生物逼真度人體數(shù)值模型的虛擬評(píng)價(jià)為抗暴座椅設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供科學(xué)指導(dǎo)。
因此,本研究以驗(yàn)證THUMS(total human body model for safety)人體有限元模型在UBB 工況下的生物逼真度為基礎(chǔ),首先通過(guò)基于THUMS 模型的數(shù)值仿真分析典型UBB 沖擊環(huán)境下的乘員脊柱運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和生物力學(xué)響應(yīng)特征,然后依此研究乘員脊柱各節(jié)段潛在損傷行為,最后利用人體有限元模型和生物力學(xué)指標(biāo)分析不同受載工況和座椅防護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)下的乘員脊柱各節(jié)段損傷風(fēng)險(xiǎn),以期為針對(duì)UBB 工況的裝甲車乘員脊柱損傷防護(hù)提供參考。
1 人體模型生物逼真度驗(yàn)證
1.1 模型驗(yàn)證加載仿真模型
采用具有高生物逼真度的整人有限元模型THUMS 模擬乘員在UBB 沖擊載荷下的響應(yīng),該模型由豐田公司建立并開(kāi)源,擁有超200 萬(wàn)個(gè)單元和詳細(xì)的解剖學(xué)結(jié)構(gòu),模型細(xì)節(jié)如圖1 所示。Iwamoto 等[18]和Kitagawa 等[19] 已針對(duì)汽車碰撞載荷下的PMHS 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)THUMS 模型進(jìn)行了全面的生物逼真度驗(yàn)證,該模型可準(zhǔn)確模擬交通事故參與者的力學(xué)響應(yīng)和損傷行為。但目前THUMS 模型尚未在UBB 工況下進(jìn)行生物逼真度驗(yàn)證,考慮UBB 載荷工況(頭盆向高速?zèng)_擊)與汽車碰撞存在明顯差異,本文中以模擬UBB 載荷下的PMHS 試驗(yàn)數(shù)據(jù)[9] 為參考,驗(yàn)證THUMS 模型的生物逼真度。Ott 等[9] 開(kāi)展的PMHS 試驗(yàn)采用垂直跌落試驗(yàn)臺(tái)和波形發(fā)生器模擬UBB 工況,試驗(yàn)測(cè)量了剛性座椅和地板上的加速度脈沖及PMHS 脊柱加速度信號(hào)。為還原PMHS 試驗(yàn)場(chǎng)景,本文通過(guò)預(yù)模擬將THUMS模型的脊柱、手臂、下肢姿態(tài)調(diào)整至與試驗(yàn)尸體接近,建立了與PMHS 姿態(tài)[9] 相似的THUMS 模型(圖2(a)),并分別在座椅和地板加載從試驗(yàn)數(shù)據(jù)提取的加速度脈沖(圖2(b))。需要說(shuō)明的是,由于整人PMHS 試驗(yàn)中只采集了脊柱節(jié)段加速度信號(hào),未采集脊柱的力和力矩響應(yīng),從而整人模型生物逼真度只能對(duì)比脊柱加速度響應(yīng)驗(yàn)證。此外,在THUMS 模型開(kāi)發(fā)過(guò)程中針對(duì)多種載荷下的脊柱節(jié)段力學(xué)響應(yīng)驗(yàn)證結(jié)果表明,其脊柱節(jié)段模型可較好預(yù)測(cè)PMHS 力和力矩響應(yīng)[19],因此本研究未再重復(fù)脊柱節(jié)段驗(yàn)證過(guò)程。
1.2 模型驗(yàn)證結(jié)果
圖3 為驗(yàn)證仿真中THUMS 模型輸出的第1(T1)、第5(T5)、第8(T8)和第12(T12)節(jié)胸椎加速度曲線與PMHS 試驗(yàn)數(shù)據(jù)通道[9] 及試驗(yàn)均值[9] 曲線對(duì)比,該數(shù)據(jù)通道由綜合不同PMHS 樣本響應(yīng)繪制而成。從圖3 可以看出,雖然THUMS 模型響應(yīng)存在仿真峰值偏高(相較于試驗(yàn)均值)和部分?jǐn)?shù)據(jù)偏離PMHS 通道的現(xiàn)象,但脊柱各節(jié)段加速度響應(yīng)與PMHS 響應(yīng)趨勢(shì)基本一致,模型響應(yīng)幾乎位于PMHS 試驗(yàn)通道內(nèi)。該結(jié)果為人體模型驗(yàn)證中的常見(jiàn)現(xiàn)象,大量研究表明整人級(jí)別的人體有限元模型驗(yàn)證中無(wú)法做到其響應(yīng)與尸體試驗(yàn)完全高度一致[12, 15, 18]。同時(shí)考慮人體個(gè)體差異和PMHS 試驗(yàn)樣本有限,認(rèn)為THUMS 模型在UBB 沖擊載荷下表現(xiàn)出了較高生物逼真度,可用于后續(xù)研究模擬UBB 工況下的乘員響應(yīng)過(guò)程。
2 乘員脊柱損傷行為分析
采用THUMS 人體模型和自行設(shè)計(jì)的某特種車輛座椅有限元模型,建立了典型UBB 工況下的乘員受載仿真模型,如圖4 所示。仿真模型中,參考典型UBB 沖擊加速度特征[20],建立峰值為200g 和脈沖寬度為5 ms 的三角波加速度脈沖加載環(huán)境,加速度脈沖作用于座椅安裝地板,座椅緩沖吸能懸架參數(shù)設(shè)為剛度80 kN/m 和阻尼1.2 kN·s/m,仿真計(jì)算時(shí)間設(shè)為80 ms,定義人體和地板及座椅之間的接觸。需要說(shuō)明的是,由于PMHS 試驗(yàn)[9] 的主要目的是為機(jī)械假人開(kāi)發(fā)提供驗(yàn)證參考,通常設(shè)置為腰背曲度相對(duì)較小的僵直姿態(tài);而特種車輛乘員在服役過(guò)程中需要進(jìn)行機(jī)械性操作,且在車輛不平穩(wěn)行駛環(huán)境下難以保持腰背挺直,其坐姿與THUMS 模型的原始姿態(tài)(腰背自然屈曲)更接近,因而本文中采用了THUMS 模型的原始姿態(tài)模擬UBB 工況下的特種車輛乘員損受載過(guò)程。以下基于該模型的仿真結(jié)果,從脊柱運(yùn)動(dòng)姿態(tài)(運(yùn)動(dòng)學(xué))、截面載荷(動(dòng)力學(xué))和應(yīng)力分布(生物力學(xué))3 個(gè)方面展示乘員脊柱響應(yīng)特征,并結(jié)合三者響應(yīng)特征分析UBB 沖擊下的乘員脊柱損傷行為。
2.1 脊柱運(yùn)動(dòng)姿態(tài)
圖5 為乘員整體和骨骼在200g 的UBB 沖擊載荷作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)過(guò)程,從圖中可以看出:乘員下肢向上抬升運(yùn)動(dòng),使得膝關(guān)節(jié)前伸;軀干在慣性力作用下向下和向前運(yùn)動(dòng),胸腰段脊柱產(chǎn)生明顯前屈;頭部向后翻轉(zhuǎn)旋動(dòng),頸椎明顯后伸。圖6 為脊柱在矢狀面的位姿形態(tài)隨時(shí)間變化過(guò)程(原點(diǎn)為第一節(jié)尾椎S1,X 軸的正方向表示向后,Z 軸的正方向表示向上),以T1 為參考的C1 運(yùn)動(dòng)軌跡主要表現(xiàn)為向下位移,由頸部脊椎后伸彎曲所致;以L1 為參考的T1 運(yùn)動(dòng)軌跡主要為向下和向前位移,由胸椎前屈彎曲和軸向壓縮所致;以骶骨S1 為參考的L1 運(yùn)動(dòng)軌跡先向前再向后,由骨盆轉(zhuǎn)動(dòng)所致。
2.2 脊柱截面載荷
圖7 為UBB 載荷下通過(guò)乘員脊柱部分節(jié)段截面力和彎矩時(shí)間歷程曲線,圖8 為各脊柱節(jié)段截面力和彎矩峰值相對(duì)于L5 的比值。從圖7~8 可知,UBB 載荷沿脊柱自下而上傳遞,脊柱截面力峰值時(shí)刻從L5 到C1 依次順延,峰值總體上呈自下而上衰減的趨勢(shì),但是胸椎T9~L5 段截面力維持較高平臺(tái),頸椎C2~C3 段的截面力峰值明顯高于周邊節(jié)段;脊柱截面彎矩峰值時(shí)刻與節(jié)段位置無(wú)明顯相關(guān)性,T4 彎矩峰值時(shí)刻與L5 接近,C4 和C7 彎矩達(dá)到峰值后呈現(xiàn)平臺(tái),L1~L4 段彎矩峰值較低,T7~T11 段彎矩峰值較高,C6~T2 段彎矩峰值高于上下游節(jié)段。
2.3 脊柱應(yīng)力應(yīng)變分布
圖9~10 分別為頸椎和胸腰椎椎體應(yīng)力與椎間盤應(yīng)變分布云圖,其中椎間盤應(yīng)變?cè)茍D中展示的為矢狀面剖視圖,以方便看清椎間盤髓核部分應(yīng)變情況。此外,由于C1 和C2 間無(wú)椎間盤,頸椎椎間盤應(yīng)變?cè)茍D中未顯示C1 節(jié)段。仿真結(jié)果顯示:頸椎椎體應(yīng)力主要集中在C4~C7 棘突,椎間盤應(yīng)變則主要集中在C3~C4 椎間盤纖維環(huán)前側(cè);胸腰椎椎體最大應(yīng)力分布在L4~L5 和T7~T12 前側(cè)以及T1~T3 橫突,椎間盤應(yīng)變則主要集中在腰椎椎間盤髓核和T1~T4 椎間盤纖維環(huán)前側(cè);時(shí)間軸上,從腰椎至頸椎自下而上依次出椎體最大應(yīng)力和椎間盤最大應(yīng)變。從量級(jí)上來(lái)看,頸部椎體最大應(yīng)力和椎間盤最大應(yīng)變均高于胸腰椎。
將仿真中乘員模型脊柱應(yīng)力應(yīng)變分布(圖9~10)與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)(圖5~6)和截面載荷(圖7~8)結(jié)合分析可以看出:脊柱生理彎曲是決定不同節(jié)段在UBB 載荷下運(yùn)動(dòng)和承載差異的主要原因,C4~T3 和T6~T12 段分別受頸部后伸和胸部前屈運(yùn)動(dòng)而彎矩承載明顯,T9~L5 段由于軀干向下壓縮而處于軸向承載狀態(tài);頸椎后伸所產(chǎn)生的彎曲形變是造成C5~T2 段彎矩增大和C4~T3 段棘突/橫突應(yīng)力集中的主要原因,即頸部過(guò)伸是UBB 載荷下乘員頸-胸過(guò)渡位置脊柱損傷的主要致傷機(jī)制;胸椎軸向壓縮和前屈產(chǎn)生的彎曲形變使得T7~T11 段同時(shí)擁有高截面力和彎矩,導(dǎo)致該段椎體前側(cè)應(yīng)力集中,胸椎前屈過(guò)彎伴隨軸向壓縮是該節(jié)段主要致傷行為;對(duì)于腰椎而言,L4~L5 段出現(xiàn)明顯彎曲導(dǎo)致椎體前側(cè)應(yīng)力集中,L1~L3 節(jié)段主要表現(xiàn)為軸向壓縮(圖8 高截面力)引起其椎間盤中心位置應(yīng)變明顯,腰椎同時(shí)承載的軸向壓縮和前屈彎矩是其椎體和椎間盤的主要致傷因素。以上結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和生物力學(xué)響應(yīng)分析的脊柱損傷行為邏輯一致,共同反映了不同節(jié)段脊柱損傷機(jī)制差異。同時(shí),Comstock 等[2] 和Schoenfeld 等[3]的戰(zhàn)場(chǎng)損傷流行病學(xué)研究指出C4~C7、T8~T12 及L1~L5 節(jié)段損傷高發(fā),Somasundaram 等[20] 通過(guò)PMHS 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)胸椎過(guò)度屈曲且T8~T12 段損傷機(jī)制為壓縮和彎曲載荷的共同作用,本文仿真結(jié)果映射的損傷行為與上述研究結(jié)論相似,因此結(jié)果具備可信度。
3 乘員脊柱損傷風(fēng)險(xiǎn)分析
為分析不同受載環(huán)境下的乘員脊柱損傷風(fēng)險(xiǎn),此處基于圖4 所示模型,分別考慮不同的UBB 加速度峰值(100g~300g)和不同座椅懸架剛度(50~80 kN/m)及不同阻尼(0.6~1.2 kN·s/m)的緩沖吸能方式,建立如表1 所示的仿真矩陣。表1 中UBB峰值200g、座椅懸架剛度80 N/mm 和座椅懸架阻尼系數(shù)1.2 kN·s/m 為基礎(chǔ)模型(編號(hào)0),參數(shù)變化時(shí)每次僅變化其中一個(gè)參數(shù)設(shè)置仿真組,其他參數(shù)固定為基礎(chǔ)模型參數(shù),如UBB 峰值變化時(shí)座椅懸架參數(shù)保持剛度80k N/m 和阻尼1.2 kN·s/m 不變。需要說(shuō)明的是,由于本研究所設(shè)計(jì)的座椅需要同時(shí)滿足抗爆(安全性)和減振(舒適性)功能,阻尼取值相對(duì)較低。損傷風(fēng)險(xiǎn)分析中,采用脊柱不同節(jié)段的椎體峰值應(yīng)力作為表征參量,量化分析上述3 個(gè)參數(shù)變化對(duì)脊柱損傷風(fēng)險(xiǎn)的影響。
不同受載工況下,乘員脊柱各節(jié)段應(yīng)力峰值的對(duì)比如圖11 所示,從圖中可以看出:所有仿真中頸椎應(yīng)力峰值基本都高于胸腰椎,腰椎應(yīng)力峰值為三者中最低;脊柱各節(jié)段應(yīng)力峰值隨UBB 峰值增大而增大,UBB 峰值對(duì)腰椎應(yīng)力峰值影響的線性程度最高;根據(jù)Zimmermann 等[21] 提出的青年人群皮質(zhì)骨壓縮和彎曲極限應(yīng)力均值(161 MPa)推斷發(fā)現(xiàn),在抗爆座椅防護(hù)下乘員頸椎存在高骨折風(fēng)險(xiǎn),胸腰椎損傷風(fēng)險(xiǎn)較低,這一規(guī)律與Somasundaram 等[20] 通過(guò)PMHS 實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論相似,即盆骨以下緩沖吸能可有效降低胸腰椎損傷風(fēng)險(xiǎn),但對(duì)頸椎的防護(hù)能力較低。改變UBB 脈沖峰值和座椅懸架設(shè)計(jì)參數(shù)的仿真結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn):UBB 加速度峰值對(duì)脊柱應(yīng)力峰值影響最顯著,UBB 加速度峰值每增大50g 可平均增大脊柱最大應(yīng)力約17 MPa;脊柱最大應(yīng)力隨座椅懸架剛度的增大呈增大趨勢(shì),座椅剛度從50 kN/m 增大到60 kN/m 時(shí)的影響最顯著;而由于懸架阻尼較低,在本研究所設(shè)區(qū)間內(nèi)改變座椅懸架阻尼參數(shù)對(duì)乘員脊柱最大應(yīng)力幾乎無(wú)影響。上述規(guī)律表明,通過(guò)車體吸能設(shè)計(jì)盡量減小傳入座椅的UBB 加速度是乘員防護(hù)的關(guān)鍵,基于當(dāng)前座椅懸架吸能的抗爆措施或難以實(shí)現(xiàn)對(duì)頸椎的損傷防護(hù),后續(xù)抗暴座椅優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮頸椎防護(hù)。
4 結(jié) 論
通過(guò)對(duì)比文獻(xiàn)中的PMHS 試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了THUMS 人體有限元模型的生物逼真度,采用該模型研究了UBB 沖擊載荷下的乘員脊柱損傷行為和損傷風(fēng)險(xiǎn),得到的主要結(jié)論如下。
(1) THUMS 模型能較好地模擬UBB 沖擊載荷下的PMHS 各脊柱節(jié)段加速度響應(yīng),可借助其高生物逼真度開(kāi)展UBB 沖擊環(huán)境下的乘員脊柱損傷研究。
(2) UBB 沖擊載荷下乘員脊柱不同節(jié)段的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)存在明顯差異,頸椎和胸椎上段主要表現(xiàn)為后伸,胸椎中-下段響應(yīng)為前屈伴隨軸向壓縮,腰椎主要為軸向壓縮。
(3) C4~T3 段脊柱后伸過(guò)展導(dǎo)致棘突、橫突和椎間盤纖維環(huán)損傷,T7~T12 段脊柱前屈過(guò)彎和軸向壓縮引起椎體前側(cè)損傷;腰椎段軸向壓縮導(dǎo)致椎體前側(cè)和椎間盤髓核處高損傷風(fēng)險(xiǎn)。
(4) 頸椎損傷脊柱各節(jié)段損傷風(fēng)險(xiǎn)隨受載加速度峰值增大而提高,抗暴座椅防護(hù)下胸腰椎損傷風(fēng)險(xiǎn)較低,但頸椎存在高骨折風(fēng)險(xiǎn);減小座椅懸架剛度可降低乘員脊柱損傷風(fēng)險(xiǎn),但在0.6~1.2 kN·s/m 范圍內(nèi)改變阻尼參數(shù)對(duì)乘員脊柱損傷風(fēng)險(xiǎn)無(wú)明顯影響。
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(責(zé)任編輯 張凌云)
基金項(xiàng)目: 基礎(chǔ)加強(qiáng)計(jì)劃技術(shù)領(lǐng)域基金(2021-JCJQ-JJ-1309);湖南省自然科學(xué)基金(2023JJ30246)