為了保障直升機(jī)牽引救生過程中飛行員的安全,基于我國飛行員身材標(biāo)準(zhǔn),建立了人體頭頸部有限元模型。根據(jù)模擬假人在牽引救生實(shí)驗(yàn)中的加速度載荷數(shù)據(jù),對(duì)單肩斜拉牽引和雙肩牽引過程中的人體頭頸部的損傷情況進(jìn)行了仿真計(jì)算,通過與文獻(xiàn)中的事故試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,驗(yàn)證了模型的可信性。結(jié)果表明,在峰值加速度（垂向）載荷約為15 g（g為重力加速度）的條件下,牽引救生過程中頭部受損傷的概率小,但頸部在火箭牽引階段受損傷的概率大。 

【文章來源】：系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào). 2019,31(06)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

°剛性平面頭部碰撞力試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)Fig.2Testdataandsimulationdataofheadimpactforceon0°rigidplane

第31卷第6期Vol.31No.62019年6月邢博豪,等:牽引救生過程中人體頭頸部損傷的仿真分析Jun.,2019http:∥www.china-simulation.com1211有限元模型的仿真條件為：模型處于1g常規(guī)重力場(chǎng)中，頭部碰撞剛性平面的速度為3.2m/s，速度方向?yàn)檠豑1胸椎Z方向(豎直方向)，同時(shí)附加16kg載荷，模擬碰撞時(shí)軀干對(duì)頭頸部的影響。2.10°剛性平面碰撞驗(yàn)證Nightingale對(duì)0°剛性平面碰撞試驗(yàn)結(jié)果為：頭部撞擊0°剛性平面后，撞擊力使樣本的頭部下頜有向前伸展的趨勢(shì)，帶動(dòng)頸椎產(chǎn)生較大的屈曲變形，頸椎的上半部C2~C3，C3~C4節(jié)產(chǎn)生伸展變形，頸椎的下半部則產(chǎn)生較大的彎曲變形。通過ANSYS有限元分析軟件對(duì)模型加載0°剛性平面碰撞的條件進(jìn)行仿真計(jì)算，之后在LS-PrePost后處理軟件中獲得仿真數(shù)據(jù)結(jié)果。對(duì)比尸體試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)描述，發(fā)現(xiàn)仿真獲得的頸部運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與尸體實(shí)驗(yàn)描述基本一致，同樣產(chǎn)生了頸椎上段伸展，下端彎曲的結(jié)果，但是變形的程度要小于尸體試驗(yàn)。0°剛性平面撞擊的頭部碰撞力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[19]，如圖2虛線所示，圖中實(shí)驗(yàn)區(qū)間為多次尸體實(shí)驗(yàn)中頭部碰撞力曲線的上限值和下限值，而圖2中實(shí)線為本研究中采用頭頸部有限元模型進(jìn)行仿真的頭部碰撞力數(shù)據(jù)，仿真時(shí)間為變形發(fā)生比較集中的前10ms，將仿真得到的曲線與實(shí)際試驗(yàn)的曲線進(jìn)行分析，得出仿真曲線的峰值時(shí)刻點(diǎn)較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)延遲1ms，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)區(qū)間曲線波形吻合。圖20°剛性平面頭部碰撞力試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)Fig.2Testdataandsimulationdataofheadimpactforceon0°rigidplane2.215°剛性平面碰撞驗(yàn)證尸體頭頸部15°軸向撞擊剛性平面試驗(yàn)結(jié)果與模型仿真結(jié)果進(jìn)行比較。模型于15°

第31卷第6期系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)Vol.31No.62019年6月JournalofSystemSimulationJun.,2019http:∥www.china-simulation.com1212反映實(shí)際的頭頸部力學(xué)響應(yīng)情況，說明所建立的有限元模型有效可行。3計(jì)算結(jié)果與分析3.1載荷條件設(shè)定目前，牽引救生過程分為彈射筒彈射和火箭牽引兩個(gè)階段，通過模擬假人測(cè)試實(shí)驗(yàn)中力學(xué)傳感器獲得胸腔矢狀(x向)，冠狀(z向)，垂直(y向)3個(gè)方向載荷數(shù)據(jù)。彈射筒彈射和牽引救生兩個(gè)階段主要載荷y方向數(shù)據(jù)如圖4所示。載荷單位為g，附加頭盔對(duì)牽引救生中頭頸部損傷情況的影響，將頭部質(zhì)量增加1.02kg頭盔質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，載荷加載位置為底部所有單元節(jié)點(diǎn)，并將底部肌肉及C7在x，y，z三個(gè)方向上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)約束。整個(gè)模型處于常規(guī)重力場(chǎng)(1g)中，彈射筒彈射階段仿真時(shí)間約為120ms，牽引火箭階段仿真時(shí)間約為100ms。(a)彈射筒彈射階段y向載荷(b)牽引火箭階段y向載荷圖4y方向的載荷值Fig.4Loadvaluesofydirection3.2單肩斜拉牽引和雙肩牽引過程頭頸部動(dòng)力學(xué)響應(yīng)單肩斜拉牽引過程中模型受到x，y，z三個(gè)方向載荷，雙肩牽引過程中模型受到z方向載荷，經(jīng)ANSYS軟件計(jì)算，LS-Prepost軟件導(dǎo)出頭頸部模型在單肩斜拉牽引和雙肩牽引過程中變形趨勢(shì)，頭部合加速度，頸部寰椎與隆椎水平方向相對(duì)加速度與相對(duì)速度。3.3頭頸部損傷情況判定由于牽引救生過程中人體頭部與頸部產(chǎn)生了一定的變形，對(duì)于是否超過了人體的耐受限則需要根據(jù)相關(guān)的判據(jù)進(jìn)行判斷，采用被廣泛應(yīng)用于頭部損傷判斷的HIC準(zhǔn)則(公式(1))[20]和頸部損傷判斷的NIC準(zhǔn)則(公式(2))[21]。導(dǎo)出模型頭部合?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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[2]牽引救生裝置性能仿真研究[J]. 郭明飛.  航空工程進(jìn)展. 2012(04)
[3]研究汽車碰撞中頭頸部動(dòng)態(tài)響應(yīng)的有限元模型的建立和驗(yàn)證[J]. 楊濟(jì)匡,許偉,萬鑫銘.  湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2005(02)
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博士論文
[1]汽車碰撞中人體頭頸部損傷有限元模型研究[D]. 李娜.中南大學(xué) 2010

碩士論文
[1]人體頸椎建模及車輛后碰撞頸部損傷研究[D]. 杜登云.吉林大學(xué) 2014
[2]高速?zèng)_擊下人體頭頸部損傷分析[D]. 姜文.天津科技大學(xué) 2012
[3]高速前碰撞沖擊下人體頸部生物力學(xué)響應(yīng)的有限元分析和研究[D]. 周蕊.天津科技大學(xué) 2008



本文編號(hào)：3338107