牵引救生过程中人体头颈部损伤的仿真分析
发布时间：2021-08-12 10:00
为了保障直升机牵引救生过程中飞行员的安全,基于我国飞行员身材标准,建立了人体头颈部有限元模型。根据模拟假人在牵引救生实验中的加速度载荷数据,对单肩斜拉牵引和双肩牵引过程中的人体头颈部的损伤情况进行了仿真计算,通过与文献中的事故试验数据对比,验证了模型的可信性。结果表明,在峰值加速度（垂向）载荷约为15 g（g为重力加速度）的条件下,牵引救生过程中头部受损伤的概率小,但颈部在火箭牵引阶段受损伤的概率大。
【文章来源】：系统仿真学报. 2019,31(06)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
°刚性平面头部碰撞力试验数据和仿真数据Fig.2Testdataandsimulationdataofheadimpactforceon0°rigidplane
第31卷第6期Vol.31No.62019年6月邢博豪,等:牵引救生过程中人体头颈部损伤的仿真分析Jun.,2019http:∥www.china-simulation.com1211有限元模型的仿真条件为：模型处于1g常规重力场中，头部碰撞刚性平面的速度为3.2m/s，速度方向为沿T1胸椎Z方向(竖直方向)，同时附加16kg载荷，模拟碰撞时躯干对头颈部的影响。2.10°刚性平面碰撞验证Nightingale对0°刚性平面碰撞试验结果为：头部撞击0°刚性平面后，撞击力使样本的头部下颌有向前伸展的趋势，带动颈椎产生较大的屈曲变形，颈椎的上半部C2~C3，C3~C4节产生伸展变形，颈椎的下半部则产生较大的弯曲变形。通过ANSYS有限元分析软件对模型加载0°刚性平面碰撞的条件进行仿真计算，之后在LS-PrePost后处理软件中获得仿真数据结果。对比尸体试验的运动趋势描述，发现仿真获得的颈部运动趋势与尸体实验描述基本一致，同样产生了颈椎上段伸展，下端弯曲的结果，但是变形的程度要小于尸体试验。0°刚性平面撞击的头部碰撞力的实验数据[19]，如图2虚线所示，图中实验区间为多次尸体实验中头部碰撞力曲线的上限值和下限值，而图2中实线为本研究中采用头颈部有限元模型进行仿真的头部碰撞力数据，仿真时间为变形发生比较集中的前10ms，将仿真得到的曲线与实际试验的曲线进行分析，得出仿真曲线的峰值时刻点较实验数据延迟1ms，仿真数据与实验区间曲线波形吻合。图20°刚性平面头部碰撞力试验数据和仿真数据Fig.2Testdataandsimulationdataofheadimpactforceon0°rigidplane2.215°刚性平面碰撞验证尸体头颈部15°轴向撞击刚性平面试验结果与模型仿真结果进行比较。模型于15°
第31卷第6期系统仿真学报Vol.31No.62019年6月JournalofSystemSimulationJun.,2019http:∥www.china-simulation.com1212反映实际的头颈部力学响应情况，说明所建立的有限元模型有效可行。3计算结果与分析3.1载荷条件设定目前，牵引救生过程分为弹射筒弹射和火箭牵引两个阶段，通过模拟假人测试实验中力学传感器获得胸腔矢状(x向)，冠状(z向)，垂直(y向)3个方向载荷数据。弹射筒弹射和牵引救生两个阶段主要载荷y方向数据如图4所示。载荷单位为g，附加头盔对牵引救生中头颈部损伤情况的影响，将头部质量增加1.02kg头盔质量。在此基础上，载荷加载位置为底部所有单元节点，并将底部肌肉及C7在x，y，z三个方向上进行旋转约束。整个模型处于常规重力场(1g)中，弹射筒弹射阶段仿真时间约为120ms，牵引火箭阶段仿真时间约为100ms。(a)弹射筒弹射阶段y向载荷(b)牵引火箭阶段y向载荷图4y方向的载荷值Fig.4Loadvaluesofydirection3.2单肩斜拉牵引和双肩牵引过程头颈部动力学响应单肩斜拉牵引过程中模型受到x，y，z三个方向载荷，双肩牵引过程中模型受到z方向载荷，经ANSYS软件计算，LS-Prepost软件导出头颈部模型在单肩斜拉牵引和双肩牵引过程中变形趋势，头部合加速度，颈部寰椎与隆椎水平方向相对加速度与相对速度。3.3头颈部损伤情况判定由于牵引救生过程中人体头部与颈部产生了一定的变形，对于是否超过了人体的耐受限则需要根据相关的判据进行判断，采用被广泛应用于头部损伤判断的HIC准则(公式(1))[20]和颈部损伤判断的NIC准则(公式(2))[21]。导出模型头部合?
【参考文献】：
期刊论文
[1]拦阻着舰过程中飞行员头颈部的动力学响应[J]. 鲁廷,王亚伟,柳松杨,杨春信. 医用生物力学. 2012(06)
[2]牵引救生装置性能仿真研究[J]. 郭明飞. 航空工程进展. 2012(04)
[3]研究汽车碰撞中头颈部动态响应的有限元模型的建立和验证[J]. 杨济匡,许伟,万鑫铭. 湖南大学学报(自然科学版). 2005(02)
[4]高G载荷下飞行员颈部的损伤及防护[J]. 柳松杨. 航天医学与医学工程. 1998(04)
博士论文
[1]汽车碰撞中人体头颈部损伤有限元模型研究[D]. 李娜.中南大学 2010
硕士论文
[1]人体颈椎建模及车辆后碰撞颈部损伤研究[D]. 杜登云.吉林大学 2014
[2]高速冲击下人体头颈部损伤分析[D]. 姜文.天津科技大学 2012
[3]高速前碰撞冲击下人体颈部生物力学响应的有限元分析和研究[D]. 周蕊.天津科技大学 2008
本文编号：3338107
【文章来源】：系统仿真学报. 2019,31(06)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
°刚性平面头部碰撞力试验数据和仿真数据Fig.2Testdataandsimulationdataofheadimpactforceon0°rigidplane
第31卷第6期Vol.31No.62019年6月邢博豪,等:牵引救生过程中人体头颈部损伤的仿真分析Jun.,2019http:∥www.china-simulation.com1211有限元模型的仿真条件为：模型处于1g常规重力场中，头部碰撞刚性平面的速度为3.2m/s，速度方向为沿T1胸椎Z方向(竖直方向)，同时附加16kg载荷，模拟碰撞时躯干对头颈部的影响。2.10°刚性平面碰撞验证Nightingale对0°刚性平面碰撞试验结果为：头部撞击0°刚性平面后，撞击力使样本的头部下颌有向前伸展的趋势，带动颈椎产生较大的屈曲变形，颈椎的上半部C2~C3，C3~C4节产生伸展变形，颈椎的下半部则产生较大的弯曲变形。通过ANSYS有限元分析软件对模型加载0°刚性平面碰撞的条件进行仿真计算，之后在LS-PrePost后处理软件中获得仿真数据结果。对比尸体试验的运动趋势描述，发现仿真获得的颈部运动趋势与尸体实验描述基本一致，同样产生了颈椎上段伸展，下端弯曲的结果，但是变形的程度要小于尸体试验。0°刚性平面撞击的头部碰撞力的实验数据[19]，如图2虚线所示，图中实验区间为多次尸体实验中头部碰撞力曲线的上限值和下限值，而图2中实线为本研究中采用头颈部有限元模型进行仿真的头部碰撞力数据，仿真时间为变形发生比较集中的前10ms，将仿真得到的曲线与实际试验的曲线进行分析，得出仿真曲线的峰值时刻点较实验数据延迟1ms，仿真数据与实验区间曲线波形吻合。图20°刚性平面头部碰撞力试验数据和仿真数据Fig.2Testdataandsimulationdataofheadimpactforceon0°rigidplane2.215°刚性平面碰撞验证尸体头颈部15°轴向撞击刚性平面试验结果与模型仿真结果进行比较。模型于15°
第31卷第6期系统仿真学报Vol.31No.62019年6月JournalofSystemSimulationJun.,2019http:∥www.china-simulation.com1212反映实际的头颈部力学响应情况，说明所建立的有限元模型有效可行。3计算结果与分析3.1载荷条件设定目前，牵引救生过程分为弹射筒弹射和火箭牵引两个阶段，通过模拟假人测试实验中力学传感器获得胸腔矢状(x向)，冠状(z向)，垂直(y向)3个方向载荷数据。弹射筒弹射和牵引救生两个阶段主要载荷y方向数据如图4所示。载荷单位为g，附加头盔对牵引救生中头颈部损伤情况的影响，将头部质量增加1.02kg头盔质量。在此基础上，载荷加载位置为底部所有单元节点，并将底部肌肉及C7在x，y，z三个方向上进行旋转约束。整个模型处于常规重力场(1g)中，弹射筒弹射阶段仿真时间约为120ms，牵引火箭阶段仿真时间约为100ms。(a)弹射筒弹射阶段y向载荷(b)牵引火箭阶段y向载荷图4y方向的载荷值Fig.4Loadvaluesofydirection3.2单肩斜拉牵引和双肩牵引过程头颈部动力学响应单肩斜拉牵引过程中模型受到x，y，z三个方向载荷，双肩牵引过程中模型受到z方向载荷，经ANSYS软件计算，LS-Prepost软件导出头颈部模型在单肩斜拉牵引和双肩牵引过程中变形趋势，头部合加速度，颈部寰椎与隆椎水平方向相对加速度与相对速度。3.3头颈部损伤情况判定由于牵引救生过程中人体头部与颈部产生了一定的变形，对于是否超过了人体的耐受限则需要根据相关的判据进行判断，采用被广泛应用于头部损伤判断的HIC准则(公式(1))[20]和颈部损伤判断的NIC准则(公式(2))[21]。导出模型头部合?
【参考文献】：
期刊论文
[1]拦阻着舰过程中飞行员头颈部的动力学响应[J]. 鲁廷,王亚伟,柳松杨,杨春信. 医用生物力学. 2012(06)
[2]牵引救生装置性能仿真研究[J]. 郭明飞. 航空工程进展. 2012(04)
[3]研究汽车碰撞中头颈部动态响应的有限元模型的建立和验证[J]. 杨济匡,许伟,万鑫铭. 湖南大学学报(自然科学版). 2005(02)
[4]高G载荷下飞行员颈部的损伤及防护[J]. 柳松杨. 航天医学与医学工程. 1998(04)
博士论文
[1]汽车碰撞中人体头颈部损伤有限元模型研究[D]. 李娜.中南大学 2010
硕士论文
[1]人体颈椎建模及车辆后碰撞颈部损伤研究[D]. 杜登云.吉林大学 2014
[2]高速冲击下人体头颈部损伤分析[D]. 姜文.天津科技大学 2012
[3]高速前碰撞冲击下人体颈部生物力学响应的有限元分析和研究[D]. 周蕊.天津科技大学 2008
本文编号：3338107
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