阻拦着舰过程中飞行员颈部的损伤分析与预测
发布时间：2021-08-24 07:50
针对舰载机飞行员在阻拦着舰过程中因受到较大的阻拦载荷而导致颈部疼痛发病率较高问题,采用有限元方法开展了持续过载条件下飞行员颈部的生物力学响应研究。基于CT扫描图像,运用Mimics对头部及C1-T1椎体进行三维重建,利用Geomagic Studio进行曲面构型,运用Hypermesh和ABAQUS建立有限元模型,并在ABAQUS中计算各椎体及软组织的应力应变情况,结合损伤评价判定准则——NIC和Nij对飞行员颈部损伤情况进行分析和预测。结果表明:有限元模型动力学响应与静态和动态实验结果基本吻合,验证了模型的准确性和建模方法的可行性;关节囊韧带拉伸较其他韧带更长,易造成拉伤或松弛,长期训练会造成韧带受损、椎间盘突出和颈椎失稳等疾病;C4-C5椎间盘的应力均值大于C5-C6椎间盘,因此,该部位更容易造成损伤,应强化保护;颈部危重及以上损伤的概率仅为6.07%,即造成椎骨和脊髓损伤的可能性很小。研究结果可为飞行员颈部保护装置、对抗措施和飞行训练方法的设计与改进提供理论支撑。
【文章来源】：北京航空航天大学学报. 2019,45(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
椎间盘建立Fig．1Intervertebraldiscbuilding
第3期包佳仪，等:阻拦着舰过程中飞行员颈部的损伤分析与预测行捆绑约束，使其不发生相对运动。同样，椎体与关节软骨、肌肉，纤维环与髓核也进行捆绑约束［11］。由于关节软骨之间存在着滑动，故每对关节软骨之间建立无摩擦有限滑移面-面接触方式。由于本文只分析颈部的受力与损伤情况，故将头部实体化处理，并添加4．69kg的质量［12］。装配完成后的有限元模型如图2所示。表1模型材料参数［7-9］Table1Modelmaterialparameters［7-9］组织名称弹性模量/MPa泊松比密度/(10－3kg·m－3)单元类型皮质骨100000．32．0Shell松质骨4500．31．0Solid椎骨终板10000．41．83Shell纤维环3．40．41．2Solid髓核1．00．491．1Solid前纵韧带28．20．41．1Truss后纵韧带230．41．1Truss黄韧带3．50．41．1Truss关节囊韧带50．41．1Truss棘上韧带4．90．41．1Truss翼状韧带50．41．1Truss寰椎横韧带200．41．1Truss齿突尖韧带200．41．1Truss寰枕前膜200．41．1Truss寰枕后膜200．41．1Truss表2肌肉的参数设置［10］Table2Muscleparametersetting［10］材料参数数值密度ρ/(kg·m－3)1．06泊松比ν0．495弹性分量μi/MPa0．01148弹性分量αi12．32黏性分量Gi0．001，0．575，0．288，0．137黏性分量βi/s－173．4，50．3，42．7，0．255图2完整有限元模型Fig．2Completefiniteelementmodel2头颈部有限元模型的验证本文结合Panjabi等［13］进行的头颈部基础运动实验和Ewing等［
量αi12．32黏性分量Gi0．001，0．575，0．288，0．137黏性分量βi/s－173．4，50．3，42．7，0．255图2完整有限元模型Fig．2Completefiniteelementmodel2头颈部有限元模型的验证本文结合Panjabi等［13］进行的头颈部基础运动实验和Ewing等［14］的志愿者前碰撞实验，从静态及动态2个方面对有限元模型的有效性进行了验证。1)静态验证依据Panjabi等的头颈部基础运动实验［13］，对模型进行仿真计算。建立如图3所示坐标系。约束第1节胸椎T1下表面的6个自由度。在头部的旋转中心位置选择一参考点，并与头部的其他节点进行运动耦合约束，在该点上分别在±X、±Y、±Z方向加载1．5N·m的纯力矩［15］，分别产生前屈、后伸、左右侧屈以及轴向旋转。然后，分别在椎体的前部选取参考点，输出各个参考点在该坐标系的运动参数，并计算出相邻椎体之间的椎间活动度(相邻椎体间活动角度之差)。静态验证将仿真计算出的椎间活动度与实验数据做对比分析，分为前屈、后伸、侧屈和轴向旋转4个过程。以侧屈过程为例，活动度和仿真效果如图4、图5所示，图4灰色线段为标准误差线，C1～C7为椎骨编号。由图4可见，仿真计算得到的数据与离体实验数据进行对比，各椎体之间的活动度均在离体实验的误差范围之内，FE仿真数据与实验数据基本吻合。因此可认为FE模型能较好地模拟颈椎受力时真实运动情况，仿真计算结果可信。图3坐标系示意图Fig．3Schematicdiagramofcoordinatesystem图4侧屈椎间活动度数据对比Fig．4Datacompari
【参考文献】：
期刊论文
[1]±Gx加速度对航母舰载机飞行员的影响及防护对策[J]. 张选斌,唐勇,岳洪梅. 人民军医. 2013(10)
[2]外军航母舰载机飞行员职业特点分析[J]. 张建,王庆敏,李明皋,沈俊,朱伟,刘秋红,万辉. 海军医学杂志. 2012(02)
[3]基于挥鞭样损伤研究的颈部有限元模型的建立及验证[J]. 张建国,周蕊,薛强. 中国生物医学工程学报. 2008(03)
硕士论文
[1]高速后碰撞时人体上颈椎的有限元分析[D]. 刘映璇.太原理工大学 2017
[2]舰载机着舰引导技术研究[D]. 郑峰婴.南京航空航天大学 2007
本文编号：3359596
【文章来源】：北京航空航天大学学报. 2019,45(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
椎间盘建立Fig．1Intervertebraldiscbuilding
第3期包佳仪，等:阻拦着舰过程中飞行员颈部的损伤分析与预测行捆绑约束，使其不发生相对运动。同样，椎体与关节软骨、肌肉，纤维环与髓核也进行捆绑约束［11］。由于关节软骨之间存在着滑动，故每对关节软骨之间建立无摩擦有限滑移面-面接触方式。由于本文只分析颈部的受力与损伤情况，故将头部实体化处理，并添加4．69kg的质量［12］。装配完成后的有限元模型如图2所示。表1模型材料参数［7-9］Table1Modelmaterialparameters［7-9］组织名称弹性模量/MPa泊松比密度/(10－3kg·m－3)单元类型皮质骨100000．32．0Shell松质骨4500．31．0Solid椎骨终板10000．41．83Shell纤维环3．40．41．2Solid髓核1．00．491．1Solid前纵韧带28．20．41．1Truss后纵韧带230．41．1Truss黄韧带3．50．41．1Truss关节囊韧带50．41．1Truss棘上韧带4．90．41．1Truss翼状韧带50．41．1Truss寰椎横韧带200．41．1Truss齿突尖韧带200．41．1Truss寰枕前膜200．41．1Truss寰枕后膜200．41．1Truss表2肌肉的参数设置［10］Table2Muscleparametersetting［10］材料参数数值密度ρ/(kg·m－3)1．06泊松比ν0．495弹性分量μi/MPa0．01148弹性分量αi12．32黏性分量Gi0．001，0．575，0．288，0．137黏性分量βi/s－173．4，50．3，42．7，0．255图2完整有限元模型Fig．2Completefiniteelementmodel2头颈部有限元模型的验证本文结合Panjabi等［13］进行的头颈部基础运动实验和Ewing等［
量αi12．32黏性分量Gi0．001，0．575，0．288，0．137黏性分量βi/s－173．4，50．3，42．7，0．255图2完整有限元模型Fig．2Completefiniteelementmodel2头颈部有限元模型的验证本文结合Panjabi等［13］进行的头颈部基础运动实验和Ewing等［14］的志愿者前碰撞实验，从静态及动态2个方面对有限元模型的有效性进行了验证。1)静态验证依据Panjabi等的头颈部基础运动实验［13］，对模型进行仿真计算。建立如图3所示坐标系。约束第1节胸椎T1下表面的6个自由度。在头部的旋转中心位置选择一参考点，并与头部的其他节点进行运动耦合约束，在该点上分别在±X、±Y、±Z方向加载1．5N·m的纯力矩［15］，分别产生前屈、后伸、左右侧屈以及轴向旋转。然后，分别在椎体的前部选取参考点，输出各个参考点在该坐标系的运动参数，并计算出相邻椎体之间的椎间活动度(相邻椎体间活动角度之差)。静态验证将仿真计算出的椎间活动度与实验数据做对比分析，分为前屈、后伸、侧屈和轴向旋转4个过程。以侧屈过程为例，活动度和仿真效果如图4、图5所示，图4灰色线段为标准误差线，C1～C7为椎骨编号。由图4可见，仿真计算得到的数据与离体实验数据进行对比，各椎体之间的活动度均在离体实验的误差范围之内，FE仿真数据与实验数据基本吻合。因此可认为FE模型能较好地模拟颈椎受力时真实运动情况，仿真计算结果可信。图3坐标系示意图Fig．3Schematicdiagramofcoordinatesystem图4侧屈椎间活动度数据对比Fig．4Datacompari
【参考文献】：
期刊论文
[1]±Gx加速度对航母舰载机飞行员的影响及防护对策[J]. 张选斌,唐勇,岳洪梅. 人民军医. 2013(10)
[2]外军航母舰载机飞行员职业特点分析[J]. 张建,王庆敏,李明皋,沈俊,朱伟,刘秋红,万辉. 海军医学杂志. 2012(02)
[3]基于挥鞭样损伤研究的颈部有限元模型的建立及验证[J]. 张建国,周蕊,薛强. 中国生物医学工程学报. 2008(03)
硕士论文
[1]高速后碰撞时人体上颈椎的有限元分析[D]. 刘映璇.太原理工大学 2017
[2]舰载机着舰引导技术研究[D]. 郑峰婴.南京航空航天大学 2007
本文编号：3359596
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