Herbst机动飞行腰椎肌骨多体动力学分析

发布时间：2021-03-18 17:51

　　目的利用多柔体动力学方法,分析Herbst机动飞行时腰椎肌肉-骨骼系统内力变化,探讨载荷下飞行员腰椎间盘力学损伤机制。方法基于腰椎肌肉-骨骼系统多体动力学模型,施加Herbst机动飞行产生的三轴时变过载,仿真计算3种腰椎运动与飞行过载耦合工况,根据腰椎间盘内力、小关节接触力、肌肉及韧带应力水平,评价飞行载荷导致的力学变化。结果腰椎前屈与Herbst机头-足向过载耦合产生了椎间盘峰值内力最大值,这说明在过载过程中的腰椎前屈更容易损伤腰椎椎间盘,尤以L5-S1间盘最为明显,而腰椎伸展可以明显减小下腰椎负载,过载引发椎体间相对滑移,增大腰椎间盘剪切载荷与关节接触力,引起肌肉与韧带内力变化。结论多体动力学方法可以仿真计算腰椎肌肉-骨骼系统应力变化,为解释飞行中腰椎间盘疲劳损伤机理提供理论依据与数据支撑。 

【文章来源】：空军医学杂志. 2019,35(05)

【文章页数】：4 页

【部分图文】：

腰椎L1-5刚体模型

视邪??衔?完整软组织的脊柱模型。本研究的脊柱模型使用的是清华大学航天航空学院自主开发的多体动力学软件ThuDynamics进行建模。本次建立的脊柱多体动力学模型重点关心的部位是腰椎部分，因此将骶骨和骨盆、胸椎和胸腔分别通过约束连接为一个整体。而腰椎L1-5考虑为5个独立的刚体之间使用椎间盘模型进行连接，整个模型中总共包含23个刚体，具体组成如图1所示，其中骨骼模型[8]的几何信息和质量信息使用OpenSim提供的模型，建立的骨骼模型如图2所示。图1腰椎L1-5刚体模型图2OpenSim骨骼模型1.1.2椎间盘建模方法椎间盘的力学模型是脊柱力学分析中的一个核心内容。一般认为，椎间盘对椎骨的反作用力与椎骨间的相对位移有关系[4，9]。Panjabi[9]通过测试发现椎骨之间单个自由度方向的作用力与2个椎骨间的自由度相关，也就是说自由度之间是耦合的。本研究所使用的腰椎间盘剪切梁-压杆模型见图3。图3腰椎间盘剪切梁-压杆模型1.2Herbst机动过载与腰椎运动耦合飞行员过载G定义为[10]：作用于飞行员的合加速度（ap）和重力加速度（g）之差与重力加速度常数（g）之比，表达式为G=（ap-g）/g其3个分量记为Gxa（胸-背向过载），Gya（右-左向过载），Gza（头-足向过载）[11]。Herbst机动是一种典型的空间过失速机动，一般被认为是检验飞机过失速机动能力的标准。飞行动作给定SGFS旋臂半径R=8m，基础G值为4g，图4为某次Herbst机动仿真中的飞机飞行员过载[3]，飞机初始飞行高度1000m，飞行速度150m/s，机动开始后飞机迅速建立大迎角并?

澹?咛遄槌扇?图1所示，其中骨骼模型[8]的几何信息和质量信息使用OpenSim提供的模型，建立的骨骼模型如图2所示。图1腰椎L1-5刚体模型图2OpenSim骨骼模型1.1.2椎间盘建模方法椎间盘的力学模型是脊柱力学分析中的一个核心内容。一般认为，椎间盘对椎骨的反作用力与椎骨间的相对位移有关系[4，9]。Panjabi[9]通过测试发现椎骨之间单个自由度方向的作用力与2个椎骨间的自由度相关，也就是说自由度之间是耦合的。本研究所使用的腰椎间盘剪切梁-压杆模型见图3。图3腰椎间盘剪切梁-压杆模型1.2Herbst机动过载与腰椎运动耦合飞行员过载G定义为[10]：作用于飞行员的合加速度（ap）和重力加速度（g）之差与重力加速度常数（g）之比，表达式为G=（ap-g）/g其3个分量记为Gxa（胸-背向过载），Gya（右-左向过载），Gza（头-足向过载）[11]。Herbst机动是一种典型的空间过失速机动，一般被认为是检验飞机过失速机动能力的标准。飞行动作给定SGFS旋臂半径R=8m，基础G值为4g，图4为某次Herbst机动仿真中的飞机飞行员过载[3]，飞机初始飞行高度1000m，飞行速度150m/s，机动开始后飞机迅速建立大迎角并伴随着加速度骤减，Gza最大达到4.9g；机动中由于飞机的偏航角运动，飞机机头指向快速改变180°，Gya最大达到了0.45g，机动后期飞机重新加油门恢复速度，Gxa最大达到了0.95g。通过多体动力学软件将Herbst机动过载模拟与腰椎运动耦合，如图5所示，具体为机动1：过载后腰椎前屈15°；机动2：过载过程中腰椎前屈


本文编号：3088681