1 背景介绍
由于解剖学特征以及某些航空环境下复合加速度的作用，脊柱成了军机飞行员在执行任务的过程中最容易受到伤害的部位之一。根据Lewis的统计调查研究表明，在弹射过程发生后有29.4%的生还者都发生了脊柱骨折损伤，而且最容易发生骨折的部分位于胸腰椎结合部位。
数值仿真的方法被广泛用于研究冲击载荷下脊柱的结构响应，然而这些都并不是针对弹射过程进行研究。因此，本文的主要目的是研究人体脊柱胸腰段部分在弹射救生过程中的动力学响应，以期能加深对弹射引起的脊柱损伤机制的认识，同时有助于防护装置的研究和设计。为了实现该目的，本文建立了两种不同的仿真模型，一种为多体动力学假人模型，该模型可以提供人体不同节段上整体的运动学信息，另一种是胸腰椎有限元模型，利用该模型可以对脊柱内部应力应变信息进行研究。
2 材料和方法
2.1胸腰椎有限元模型
选取一名健康志愿者(35岁，身高174cm，体重75kg)，采用64排螺旋CT对其行自T9至S1部位的扫描，将得到的序列图片导入至图像处理软件进行分割，保留所需要的骨组织部分并将处理后的图像以．stl格式导入到CAE前处理软件HyperMesh11.0中进行网格划分，并进行适当的网格优化，完成后的整体有限元模型如图1所示。脊柱分为椎间盘、椎骨以及后部单元，椎骨和后部单元均为六面体，且椎骨由皮质骨、松质骨和终板组成。椎间盘包括髓核和由胶原纤维进行加强的间盘基质两部分，两者体积比例按照组织学观察设定为nucleus44%和annulus56%。胶原纤维为8层互相交叉的网状结构，纤维与终板的夹角保持为约±30°。模型还包括脊柱上七条主要的韧带，分别为前纵韧带(ALL)，后纵韧带(PLL)，横突间韧带(ItL)，黄韧带(FL)，棘上韧带(SSL)，棘间韧带(ISL)和关节囊韧带(CL)，所有韧带尺寸以及附着点位置均和解剖学观察一致。所有韧带以及胶原纤维均采用三维非线性弹簧单元进行模拟。
骨盆和座椅模型分别采用四面体实体单元和四边形壳单元进行划分。胸腰椎有限元模型中所用到所有材料特性及单元类型见表1所示，计算过程中小关节之间的相互作用采用无摩擦的面面接触进行设定，为了防止沙漏，将全局沙漏系数设为0.01。后处理则在HyperView11.0中完成。
Tablel 胸腰椎有限元模型材料属性及单元类型表
ALL，前纵韧带；PLL，后纵韧带；FL，黄韧带；ITL，横突间韧带；ISL，棘间韧带；SSL，棘上韧带；CL，关节囊韧带。
2.2有限元模型验证
为了验证有限元模型的有效性，需要将模型预测的结果和实验结果进行对比，验证过程分为静态验证和动态验证两部分。静态部分选取Renner等研究者所进行的实验数据作为参考，对本研究中胸腰椎有限元模型施加与实验相同的边界条件以及约束，分别得出相邻节段中自由度并与实验数据进行对比。
由于缺乏冲击作用下多节段脊柱的动力学响应实验数据，因此仅选取T12-LI节段作为动力学验证的部分，同时将椎间盘的材料参数做相应的调整，以得到其应有的动态载荷刚度。计算结果和文献的实验结果进行对比。
2.3多体动力学模型
将志愿者全身激光扫描后得到的点云数据导入到逆向工程软件Geomagic studi0 10.0中进行优化、分割和姿势的调整，最终导入有限元前处理软件HyperMesh11.0中进行网格划分。建立好的飞行员多刚体动力学模型分为头、颈、胸、腰、上臂、前臂、手、大腿、小腿、足共16个节段，每节段的几何尺寸以及质量、质心位置、转动惯量等参数均符合Hybrid III假人标准。节段之间通过铰链进行连接，并添加旋转锁止角、转动刚度、摩擦、阻尼等参数以符合人体关节特性。
航空座椅模型在CAD软件Solidworks 2007中建立，座椅几何参数如座面宽度、深度、高度、椅背高、头靠宽、开放角、座面角、背靠角等均按照ACE II型座椅特征进行设定，并将建立好的座椅模型导入HyperMesh11.0进行网格划分。约束系统模型直接在该软件中进行建立，安全带采取PCU-15/P结构分为肩带和腰带两部分，其材料弹性模量分别为1080Mpa和1260Mpa，宽度为44mm，厚度为2.2mm。利用Hypermesh强大的有限元模型调整能力，对假人、座椅以及约束系统进行装配，为防止计算穿透，保持安全带与人体及座椅表面距离为2mm左右，多体动力模型如图1所示。
图1 多体动力学假人模型（左）及胸腰椎有限元模型（右）
为了实现动力学模型和有限元模型之间数据的传递，分别选取假人胸部对应于T9上终板中心和髋关节旋转中心作为参考点，将同样载荷及约束条件下假人位于该参考点的运动学数据提取出来并作为边界条件输入到有限元模型中。
2.4弹射工况的模拟
为了考虑在弹射过程中飞行员身体的惯性力，在有限元模型中的中矢面建立两个参考点，一个位于T9上终板中心处并和终板上表面进行刚体约束，另一个点位于L2和L3椎间盘中心前方10mm并且比T9上终板高约200mm并将定义为大小为上半身质量的质量点，两参考点用刚体杆连接。按照persall的研究，在每一块脊柱椎骨所承担体重的身体节段中心分别建立一个质量点，并通过一刚性杆将其和相应的椎骨皮质骨中间部位进行连接。
对椅盆施加峰值为15G;加载率为150G/s；持续时间为0.2秒的加速度载荷，方向与椅背成5°夹角。在模拟弹射的过程中，对模型进行约束使得其所有部分只能在矢状面上进行运动。
3 结果
3.1验证结果
如图2和图3所示，本模型所预测的结果和其它文献上的实验及计算结果很一致，因此，本模型可以进一步用于其它工况下胸腰椎动态响应的研究。
图2 静态验证结果
图3 动态验证结果
图4 弹射冲击过程中假人不同部位的运动
假人胸部参考点以及髋关节参考点的运动（旋转及平动）如图4所示。我们可以发现胸部和髋部有着较为相近的旋转位移曲线，然而胸部的平动位移则明显大于髋部的位移，造成这种状况的原因部分是由于在约束系统中的惯性锁被激发而产生锁止之前，人体的上半身产生了一定的前屈所致。
3.3有限元模型的动态响应
在弹射过程的初始阶段(t=0.12s)，胸腰椎表面的典型应力分布如图5所示，可以发现高应力(vonMises)显示分布于T12以及L1处前缘的皮质骨部位，而且随着节段的下移高应力区逐步向后部椎弓根部位后移。
图5 弹射过程中胸腰椎表面应力分布(t=0.12s)
弹射过程中胸腰椎上皮质骨以及终板部位的应力峰值的时间历程变化曲线如图6所示，在加速度开始阶段(0-0.ls)作用在飞行员臀部上巨大的冲击力使得脊柱皮质骨和终板上的应力峰值迅速连续增大，而在0.1秒过后外在的加速度保持恒定的情形下，应力峰值只是在小范围内上下波动。
图6 弹射冲击下胸腰椎皮质骨和终板上应力峰值曲线
4 讨论
相比于生物力学实验，数值模拟方法可以在较小的成本下得到更多的体内生物力学数据并且具有更好的重复性。动态响应指数(DRI)模型和多体动力学模型是两种被广泛用于弹射生物动力学研究中的两种模型，然而这两种方法很难精确地得出诸如骨、韧带、肌肉等人体内部组织的力学信息。完整的人体有限元模型可以对冲击载荷下人体的局部变形和应力进行计算，但是该种模型需要在模型构建、材料选择以及网格划分过程中消耗大量的计算机硬件资源以及时间成本。
因此本文结合了有限元和多体动力学模型各自的优点，对弹射救生过程中飞行员的躯干尤其是脊柱部位的动态响应进行了研究。根据多体动力学假人的预测结果，在人体重心较之脊柱靠前而且弹射方向偏离椅背的共同作用下，飞行员在弹射过程中上半身会明显前倾，而臀部（骨盆）在向后倾的同时整体会沿椅盆向前滑动，且臀部的旋转和平移均明显小于胸部。另外，由于椎间盘压缩而导致肩带的少量松散会增大上半身前屈的趋势。有限元模型的研究结果表明高应力区主要集中于胸12和腰1前部以及靠近下腰椎的椎弓根部位。相似的应力分布也存于前人研究当中，而且这些区域也正是脊柱急性损伤的好发部位。在本研究当中，皮质骨上产生的最大米塞斯应力达到97.1Mpa，该值已经接近于皮质骨的屈服应力值(110Mpa)。
众多研究表明冲击载荷会引起终板或者椎体的骨折，然而对哪一个部位最先产生骨折却没有统一的定论。本研究结果表明，弹射冲击所引起的终板上产生的最大应力要小于皮质骨，然而对于究竟是椎体还终板先产和骨折损伤却很难得提供判据，因为对于它们二者分别在冲击载荷下的破坏强度研究目前还不是很清楚。
诚然，本研究中尚存在一些不足。在多体动力学模型中，服饰以及体表软组织（皮肤、肌肉等）在弹射冲击时对于飞行员动力学响应的影响没有考虑进来，它们所产生身体与救生伞带之间更多的相互滑动有可能会使得脊柱损伤概率增大。而有限元模型中所有的韧带均简化成了一维弹簧，而没有考虑它的几何效应。这些不足会在将来进一步的研究中予以改进。
5 结论
利用HyperWorks可以建立出高质量的有限元模型及多体动力学模型，这两种模型的结合可以很好地研究安全带约束作用下的飞行员对于弹射冲击的动态响应。弹射冲击会在人体脊柱上产生明显的前屈和压缩效应，这些效应很有可能会增加脊柱损伤的风险，而且弹射冲击过程中的高应力集中于T1和L1，使得这些区域成为最容易最伤的部位。
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本文标题：弹射过程中胸腰椎动力学响应的数值模拟
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