1 背景介紹

    由于解剖學(xué)特征以及某些航空環(huán)境下復(fù)合加速度的作用，脊柱成了軍機(jī)飛行員在執(zhí)行任務(wù)的過程中最容易受到傷害的部位之一。根據(jù)Lewis的統(tǒng)計(jì)調(diào)查研究表明，在彈射過程發(fā)生后有29.4%的生還者都發(fā)生了脊柱骨折損傷，而且最容易發(fā)生骨折的部分位于胸腰椎結(jié)合部位。

    數(shù)值仿真的方法被廣泛用于研究沖擊載荷下脊柱的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，然而這些都并不是針對(duì)彈射過程進(jìn)行研究。因此，本文的主要目的是研究人體脊柱胸腰段部分在彈射救生過程中的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，以期能加深對(duì)彈射引起的脊柱損傷機(jī)制的認(rèn)識(shí)，同時(shí)有助于防護(hù)裝置的研究和設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)該目的，本文建立了兩種不同的仿真模型，一種為多體動(dòng)力學(xué)假人模型，該模型可以提供人體不同節(jié)段上整體的運(yùn)動(dòng)學(xué)信息，另一種是胸腰椎有限元模型，利用該模型可以對(duì)脊柱內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變信息進(jìn)行研究。

2 材料和方法

2.1胸腰椎有限元模型

    選取一名健康志愿者(35歲，身高174cm，體重75kg)，采用64排螺旋CT對(duì)其行自T9至S1部位的掃描，將得到的序列圖片導(dǎo)入至圖像處理軟件進(jìn)行分割，保留所需要的骨組織部分并將處理后的圖像以．stl格式導(dǎo)入到CAE前處理軟件HyperMesh11.0中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格優(yōu)化，完成后的整體有限元模型如圖1所示。脊柱分為椎間盤、椎骨以及后部單元，椎骨和后部單元均為六面體，且椎骨由皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和終板組成。椎間盤包括髓核和由膠原纖維進(jìn)行加強(qiáng)的間盤基質(zhì)兩部分，兩者體積比例按照組織學(xué)觀察設(shè)定為nucleus44%和annulus56%。膠原纖維為8層互相交叉的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，纖維與終板的夾角保持為約±30°。模型還包括脊柱上七條主要的韌帶，分別為前縱韌帶(ALL)，后縱韌帶(PLL)，橫突間韌帶(ItL)，黃韌帶(FL)，棘上韌帶(SSL)，棘間韌帶(ISL)和關(guān)節(jié)囊韌帶(CL)，所有韌帶尺寸以及附著點(diǎn)位置均和解剖學(xué)觀察一致。所有韌帶以及膠原纖維均采用三維非線性彈簧單元進(jìn)行模擬。

    骨盆和座椅模型分別采用四面體實(shí)體單元和四邊形殼單元進(jìn)行劃分。胸腰椎有限元模型中所用到所有材料特性及單元類型見表1所示，計(jì)算過程中小關(guān)節(jié)之間的相互作用采用無摩擦的面面接觸進(jìn)行設(shè)定，為了防止沙漏，將全局沙漏系數(shù)設(shè)為0.01。后處理則在HyperView11.0中完成。

Tablel 胸腰椎有限元模型材料屬性及單元類型表

ALL，前縱韌帶；PLL，后縱韌帶；FL，黃韌帶；ITL，橫突間韌帶；ISL，棘間韌帶；SSL，棘上韌帶；CL，關(guān)節(jié)囊韌帶。

2.2有限元模型驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證有限元模型的有效性，需要將模型預(yù)測(cè)的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證過程分為靜態(tài)驗(yàn)證和動(dòng)態(tài)驗(yàn)證兩部分。靜態(tài)部分選取Renner等研究者所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為參考，對(duì)本研究中胸腰椎有限元模型施加與實(shí)驗(yàn)相同的邊界條件以及約束，分別得出相鄰節(jié)段中自由度并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

    由于缺乏沖擊作用下多節(jié)段脊柱的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此僅選取T12-LI節(jié)段作為動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證的部分，同時(shí)將椎間盤的材料參數(shù)做相應(yīng)的調(diào)整，以得到其應(yīng)有的動(dòng)態(tài)載荷剛度。計(jì)算結(jié)果和文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2.3多體動(dòng)力學(xué)模型

    將志愿者全身激光掃描后得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到逆向工程軟件Geomagic studi0 10.0中進(jìn)行優(yōu)化、分割和姿勢(shì)的調(diào)整，最終導(dǎo)入有限元前處理軟件HyperMesh11.0中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。建立好的飛行員多剛體動(dòng)力學(xué)模型分為頭、頸、胸、腰、上臂、前臂、手、大腿、小腿、足共16個(gè)節(jié)段，每節(jié)段的幾何尺寸以及質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)均符合Hybrid III假人標(biāo)準(zhǔn)。節(jié)段之間通過鉸鏈進(jìn)行連接，并添加旋轉(zhuǎn)鎖止角、轉(zhuǎn)動(dòng)剛度、摩擦、阻尼等參數(shù)以符合人體關(guān)節(jié)特性。

    航空座椅模型在CAD軟件Solidworks 2007中建立，座椅幾何參數(shù)如座面寬度、深度、高度、椅背高、頭靠寬、開放角、座面角、背靠角等均按照ACE II型座椅特征進(jìn)行設(shè)定，并將建立好的座椅模型導(dǎo)入HyperMesh11.0進(jìn)行網(wǎng)格劃分。約束系統(tǒng)模型直接在該軟件中進(jìn)行建立，安全帶采取PCU-15/P結(jié)構(gòu)分為肩帶和腰帶兩部分，其材料彈性模量分別為1080Mpa和1260Mpa，寬度為44mm，厚度為2.2mm。利用Hypermesh強(qiáng)大的有限元模型調(diào)整能力，對(duì)假人、座椅以及約束系統(tǒng)進(jìn)行裝配，為防止計(jì)算穿透，保持安全帶與人體及座椅表面距離為2mm左右，多體動(dòng)力模型如圖1所示。

圖1 多體動(dòng)力學(xué)假人模型（左）及胸腰椎有限元模型（右）

    為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)模型和有限元模型之間數(shù)據(jù)的傳遞，分別選取假人胸部對(duì)應(yīng)于T9上終板中心和髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心作為參考點(diǎn)，將同樣載荷及約束條件下假人位于該參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)提取出來并作為邊界條件輸入到有限元模型中。

2.4彈射工況的模擬

    為了考慮在彈射過程中飛行員身體的慣性力，在有限元模型中的中矢面建立兩個(gè)參考點(diǎn)，一個(gè)位于T9上終板中心處并和終板上表面進(jìn)行剛體約束，另一個(gè)點(diǎn)位于L2和L3椎間盤中心前方10mm并且比T9上終板高約200mm并將定義為大小為上半身質(zhì)量的質(zhì)量點(diǎn)，兩參考點(diǎn)用剛體桿連接。按照persall的研究，在每一塊脊柱椎骨所承擔(dān)體重的身體節(jié)段中心分別建立一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)，并通過一剛性桿將其和相應(yīng)的椎骨皮質(zhì)骨中間部位進(jìn)行連接。

    對(duì)椅盆施加峰值為15G;加載率為150G/s；持續(xù)時(shí)間為0.2秒的加速度載荷，方向與椅背成5°夾角。在模擬彈射的過程中，對(duì)模型進(jìn)行約束使得其所有部分只能在矢狀面上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)果

3.1驗(yàn)證結(jié)果

    如圖2和圖3所示，本模型所預(yù)測(cè)的結(jié)果和其它文獻(xiàn)上的實(shí)驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果很一致，因此，本模型可以進(jìn)一步用于其它工況下胸腰椎動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究。

圖2 靜態(tài)驗(yàn)證結(jié)果

圖3 動(dòng)態(tài)驗(yàn)證結(jié)果

圖4 彈射沖擊過程中假人不同部位的運(yùn)動(dòng)

    假人胸部參考點(diǎn)以及髖關(guān)節(jié)參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)（旋轉(zhuǎn)及平動(dòng)）如圖4所示。我們可以發(fā)現(xiàn)胸部和髖部有著較為相近的旋轉(zhuǎn)位移曲線，然而胸部的平動(dòng)位移則明顯大于髖部的位移，造成這種狀況的原因部分是由于在約束系統(tǒng)中的慣性鎖被激發(fā)而產(chǎn)生鎖止之前，人體的上半身產(chǎn)生了一定的前屈所致。

3.3有限元模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

    在彈射過程的初始階段(t=0.12s)，胸腰椎表面的典型應(yīng)力分布如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力(vonMises)顯示分布于T12以及L1處前緣的皮質(zhì)骨部位，而且隨著節(jié)段的下移高應(yīng)力區(qū)逐步向后部椎弓根部位后移。

圖5 彈射過程中胸腰椎表面應(yīng)力分布(t=0.12s)

    彈射過程中胸腰椎上皮質(zhì)骨以及終板部位的應(yīng)力峰值的時(shí)間歷程變化曲線如圖6所示，在加速度開始階段(0-0.ls)作用在飛行員臀部上巨大的沖擊力使得脊柱皮質(zhì)骨和終板上的應(yīng)力峰值迅速連續(xù)增大，而在0.1秒過后外在的加速度保持恒定的情形下，應(yīng)力峰值只是在小范圍內(nèi)上下波動(dòng)。

圖6 彈射沖擊下胸腰椎皮質(zhì)骨和終板上應(yīng)力峰值曲線

4 討論

    相比于生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，數(shù)值模擬方法可以在較小的成本下得到更多的體內(nèi)生物力學(xué)數(shù)據(jù)并且具有更好的重復(fù)性。動(dòng)態(tài)響應(yīng)指數(shù)(DRI)模型和多體動(dòng)力學(xué)模型是兩種被廣泛用于彈射生物動(dòng)力學(xué)研究中的兩種模型，然而這兩種方法很難精確地得出諸如骨、韌帶、肌肉等人體內(nèi)部組織的力學(xué)信息。完整的人體有限元模型可以對(duì)沖擊載荷下人體的局部變形和應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，但是該種模型需要在模型構(gòu)建、材料選擇以及網(wǎng)格劃分過程中消耗大量的計(jì)算機(jī)硬件資源以及時(shí)間成本。

    因此本文結(jié)合了有限元和多體動(dòng)力學(xué)模型各自的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)彈射救生過程中飛行員的軀干尤其是脊柱部位的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究。根據(jù)多體動(dòng)力學(xué)假人的預(yù)測(cè)結(jié)果，在人體重心較之脊柱靠前而且彈射方向偏離椅背的共同作用下，飛行員在彈射過程中上半身會(huì)明顯前傾，而臀部（骨盆）在向后傾的同時(shí)整體會(huì)沿椅盆向前滑動(dòng)，且臀部的旋轉(zhuǎn)和平移均明顯小于胸部。另外，由于椎間盤壓縮而導(dǎo)致肩帶的少量松散會(huì)增大上半身前屈的趨勢(shì)。有限元模型的研究結(jié)果表明高應(yīng)力區(qū)主要集中于胸12和腰1前部以及靠近下腰椎的椎弓根部位。相似的應(yīng)力分布也存于前人研究當(dāng)中，而且這些區(qū)域也正是脊柱急性損傷的好發(fā)部位。在本研究當(dāng)中，皮質(zhì)骨上產(chǎn)生的最大米塞斯應(yīng)力達(dá)到97.1Mpa，該值已經(jīng)接近于皮質(zhì)骨的屈服應(yīng)力值(110Mpa)。

    眾多研究表明沖擊載荷會(huì)引起終板或者椎體的骨折，然而對(duì)哪一個(gè)部位最先產(chǎn)生骨折卻沒有統(tǒng)一的定論。本研究結(jié)果表明，彈射沖擊所引起的終板上產(chǎn)生的最大應(yīng)力要小于皮質(zhì)骨，然而對(duì)于究竟是椎體還終板先產(chǎn)和骨折損傷卻很難得提供判據(jù)，因?yàn)閷?duì)于它們二者分別在沖擊載荷下的破壞強(qiáng)度研究目前還不是很清楚。

    誠然，本研究中尚存在一些不足。在多體動(dòng)力學(xué)模型中，服飾以及體表軟組織（皮膚、肌肉等）在彈射沖擊時(shí)對(duì)于飛行員動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響沒有考慮進(jìn)來，它們所產(chǎn)生身體與救生傘帶之間更多的相互滑動(dòng)有可能會(huì)使得脊柱損傷概率增大。而有限元模型中所有的韌帶均簡化成了一維彈簧，而沒有考慮它的幾何效應(yīng)。這些不足會(huì)在將來進(jìn)一步的研究中予以改進(jìn)。

5 結(jié)論

    利用HyperWorks可以建立出高質(zhì)量的有限元模型及多體動(dòng)力學(xué)模型，這兩種模型的結(jié)合可以很好地研究安全帶約束作用下的飛行員對(duì)于彈射沖擊的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。彈射沖擊會(huì)在人體脊柱上產(chǎn)生明顯的前屈和壓縮效應(yīng)，這些效應(yīng)很有可能會(huì)增加脊柱損傷的風(fēng)險(xiǎn)，而且彈射沖擊過程中的高應(yīng)力集中于T1和L1，使得這些區(qū)域成為最容易最傷的部位。

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本文標(biāo)題：彈射過程中胸腰椎動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的數(shù)值模擬

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