军机飞行员的颈部损伤研究

目的调查飞行员的颈部损伤现状,分析导致颈部损伤的因素和飞行员的颈部损伤对飞行训练的影响,为开展相应的生理研究和开发工程解决方案提出建议。方法对1924名军机飞行员进行问卷调查,涉及初教机、强击机、歼击机、轰炸机、运输机及直升机飞行员。调查分为两部分:(1)飞行员基本情况,包括:单位、年龄、机种、飞行时间、身高、体重;(2)颈部损伤情况,包括:颈部症状、颈部症状对飞行的影响、导致颈部损伤的原因等。对调查结果进行统计分析。结果本研究调查表明71.3%的飞行员曾有过颈部不适症状,60.4%的飞行员颈部不适发生在飞行中;有33.7%的飞行员曾有过颈部疼痛症状,19.2%的飞行员的颈部疼痛症状发生在飞行中;飞行加速度、头盔重量及飞行日留空时间过长是导致飞行员颈部症状的主要原因。轰炸机飞行员发生颈部不适和疼痛的比例最高。结论颈部损伤已成为我军飞行员的常见病与多发病,飞行员的颈部损伤已影响到日常的飞行训练,且随着歼、强击机飞行员的飞行载荷及飞行训练强度的增加,飞行员的颈部损伤还会呈上升趋势。因此,应高度重视军机飞行员的颈部损伤问题,对此问题的生理研究及工程解决方案还需进行深入研究。

仿真躯干假人在评价救生伞开伞动载中的应用

目的定量研究仿真躯干假人在确定救生伞开伞动载试验中的作用,为其开发研制提供可靠的试验手段。方法仿真躯干假人披挂救生伞进行冲击试验,用63.4kg冲击块分别以0.20,0.40,0.60,0.80m高度释放冲击块,模拟不同开伞载荷,并测试肩带拉力;同时与5具刚性躯干假人在同样冲击能量下的试验结果进行对比。24名健康男性被试者佩带救生伞背带系统,取站立姿式和坐姿,参加对比试验。结果在同样的冲击能量下,刚性躯干假人肩带响应的冲击力峰值最大,其次为人体站姿,最小为人体坐姿,各试验组之间有显著性差异(P<0.01);在不同模拟开伞载荷条件下仿真躯干假人肩带冲击力峰值分别为2795,3873,4816和5736N,与人站姿试验数据(2541,3042,3720和4250N)最为接近。结论仿真躯干假人因仿真人体黏弹性特征,其在开伞冲击试验中的测试结果比刚性躯干假人更贴近人体的实际状况,而这一特性会直接影响到获得的开伞动态载荷,因此建议在救生伞研发试验中使用仿真躯干假人。

航空航天仿真试验假人研制

介绍了国内航空仿真试验假人的功能要求和研制状况,将研制工作分为人体参数测量、机械结构、信号采集与处理和可靠性验证4个部分进行.重点阐述了仿真试验假人的骨架、关节和皮肤肌肉的材料选择及结构设计特点.传感测试能力可输出记录64路生理信号,整体性能接近美国军用假人ADAM的水平,为高危的载人航空航天装备动态性能试验测试提供了有效工具.

飞行员颈部肌群主动收缩力的测量

为了探讨弹射时飞行员颈部肌群主动收缩的作用。对２２名年龄在１８～３５岁之间的受试者的颈部肌群主动收缩力进行了测量。结果显示：２２名受试者颈部肌群主动收缩力的平均值在１０２～３９６Ｎ之间，平均收缩时间为２８ｓ。提示：飞行员平时加强颈肌力量的训练是必要的。

仿真假人研究的发展与展望

动态假人在人体防冲击研究中发挥重要作用。在危险的冲击试验中从假人身上获取数据,是航空工业、汽车工业和其他产业研发防碰撞防护装备和系统的基本方法。一具仿真假人的性能,取决于其对人的仿真程度,以及能够采集信号的数量和质量。国外的仿真假人技术,不仅在研发航空弹射救生系统中发挥不可替代的作用,而且还应用于汽车制造等其他产业领域;中国直到2003年才由空军航空医学研究所研发成功具备中国人体特征的动态仿真假人,它具有与美国先进仿真假人相当的性能,已经在航空应用中发挥巨大作用。为了建立以中国人体数据为基础的冲击损伤鉴定标准,有必要研发符合中国人体特性的系列仿真假人,并加强数字虚拟人在冲击环境中的应用研究。

高G载荷下飞行员颈部的损伤及防护

高Ｇ载荷下飞行员颈部的损伤及防护柳松杨人体颈部主要由颈肌、椎骨、椎间盘和韧带连接组成，脊髓、食管、气管和血管从颈部穿过。椎骨、椎间盘和韧带是一种骨链性连接构造，这种骨链性构造保证了头颈部能作较大的前曲、后伸、侧曲和旋转运动［１］。人体颈椎比较细小，其...

拦阻着舰过程中飞行员头颈部的动力学响应

目的分析航母舰载机拦阻着舰过程中飞行员在佩戴和不佩戴头盔时的头颈部动力学响应以及主要肌肉应变量。方法建立包括头部、7个颈椎和2个胸椎共10个刚体的人体头颈部的多体动力学模型;采用集总参数法描述韧带、椎间盘等软组织的力学特性;应用非线性应力-应变关系描述人体头颈部15组肌肉的力学特性。采用多组汽车碰撞过程人体头颈部动力学响应实验数据对模型进行验证。结果获取了拦阻着舰过程飞行员头部的过载曲线和15组肌肉的应变,结果表明颈夹肌拉伸程度最大,在不佩戴头盔时其应变可达50%,佩戴2.7 kg头盔时其应变可达56%。结论佩戴防护头盔会增加飞行员在拦阻着舰过程的颈部肌肉拉伸,仿真结果可用于进一步的损伤评估。

机动飞行过载时操纵杆位置对飞行员操控影响的生物力学研究

目的从生物力学角度探讨操纵杆位置对于机动飞行时操控工效的影响。方法建立完整的人-椅系统有限元模型,该模型包括多体动力学假人、弹射座椅、约束系统以及惯性锁强制机构。对模型施加不同方向的加速度载荷,从生物力学的角度对比研究不同位置的操纵杆以及不同大小的椅背角对飞行员操控工效的影响。结果相比于中央操纵杆加17°椅背角,侧位操纵杆加30°椅背角能使得飞行员在加速度场中产生较小的躯干位移以及较小的手部惯性力。结论在机动飞行过程中,侧位操纵杆和较小的椅背角均有利于飞行员获得较好的操控工效,从而减小安全隐患。

拦阻着舰过程中不同百分位人体颈部损伤风险的差异对比

目的对比拦阻着舰过程中不同百分位人体颈部损伤风险的差异。方法利用已建立的人椅背带系统动力学模型和头颈部力学模型,采用文献中典型拦阻着舰过程座椅底部的加速度曲线作为输入条件,开展数值仿真,验证模型的正确性,并得到假人颈部各关节的轴向力、剪切力和弯矩等力学参数。结果第95百分位假人的剪切损伤Nkm指数高于第5百分位假人。假人上、下部颈椎的Nij指数小于0. 2,Nkm指数约为0. 65。结论在拦阻着舰过程中,人体颈部更容易产生由于关节剪切力导致的损伤。研究结果可为评估不同百分位人体在典型拦阻着舰过程中的颈部损伤风险提供数据支持。

航空生物力学

飞行员在飞行中会面临各种复杂载荷,这些复杂载荷会给飞行员肌骨、血液循环等系统产生复杂生理影响,从而导致飞行员损伤。生物力学主要研究生物医学中的力学问题及力的生物学效应。航空生物力学是研究人体在航空动力环境中生理变化规律及其防护措施的学科,其主要研究内容包括:冲击载荷对人体的损伤及其防护;持续性载荷对人体的生理影响及其防护或对抗;振动与噪声对人体的生理影响及其防护等。

拦阻着舰过程中不同百分位人体运动幅度的差异研究

目的拦阻着舰会产生较大的持续性载荷,给飞行员的生理健康和操控工效带来不利影响,同时人体各部位的运动有可能导致它们与座舱及其内置设备碰撞,有必要评估其中的安全隐患。方法使用已建立的包含刚性座椅模型第5,50,95共3种百分位,HybridⅢ假人有限元模型以及六点式背带约束系统的多刚体-有限元混合人椅背带系统动力学模型开展动力学仿真,评估人体头部和四肢在典型拦阻着舰过程中的运动范围。结果采用文献中公开的典型拦阻着舰过程飞机座椅底部加速度曲线作为输入条件,获得典型拦阻着舰过程中3种不同百分位假人头部、手部和足部的位移数据。结论本文仿真数据可以为改进飞行员背带约束系统和优化座舱仪表布布局提供支持。

基于飞行仿真的Herbst机动飞行员过载分析

目的利用飞行仿真获取Herbst机动中飞行员生理坐标系下的各方向过载,并对获得的典型数据进行分析。方法依据典型4代机设计参数,在CAD软件中建立飞机三维几何模型,通过飞行仿真获取机体质心6个关键运动参数,根据中国飞行员人体测量数据建立人体三维几何模型;依据座舱和座椅在飞机中的位置建立飞机与人体装配模型;通过人机系统运动学分析获取机动飞行时人体不同部位的各方向过载,对3 km高度、90 m/s速度下开展的Herbst机动进行过载分析。结果人体胸部、足部和头部各方向过载基本一致,但手部与胸部Gy曲线相差很大,手部过载峰值约为1.6 g;在人体三向过载中+Gx峰值最大,约为3.0 g。结论使用机体质心过载曲线代替人体过载曲线会带来较大误差,在研究多轴向载荷对操控行为的影响时手部Gy过载曲线不能使用其他部位过载代替。

舰载机起降过程中飞行员响应的视景仿真

针对舰载机起降过程中飞行员动力学响应问题,提出了基于生物力学仿真和虚拟视景仿真的研究思路和实现方法,将起降过程中飞行员人体的生物力学计算与飞行场景的三维虚拟视景仿真结合起来,设计并开发了一体化的虚拟平台,具备数据管理与分析、人体响应的生物动力学计算、关键计算结果同步分析、起降过程和人体响应的三维虚拟视景等功能。应用本平台对公开文献的实际舰载机飞行员人体试验过程进行了仿真验证,仿真结果与文献试验数据基本吻合,本平台还可以用于各种其他类型的人员训练系统的仿真和设计分析。

人股骨上段三维有限元模型的建立

根据螺旋CT二维图像,建立可供有限元结构仿真分析的人股骨三维有限元模型。应用螺旋CT对人股骨进行扫描,对扫描图像应用Adobe Photoshop 9.0提取密质骨、松质骨的边缘,形成坐标数据库后,再应用UGS NX3.0调用坐标数据建立人股骨上段三维几何模型和网格划分。通过UGS NX3.0剖切和隐藏技术分别显示人股骨密质骨、松质骨和骨髓腔以及各结构间的界面的三维几何形态和有限元模型。利用CT、Photoshop、UGS、数据库等工具和方法,能方便地和较真实地重建复杂的骨骼三维几何模型和有限元模型。

救生伞背带材料的力学性能研究

目的研究五种现役的救生伞背带的织带材料的力学性能,为研究救生伞背带约束系统的约束性能提供数据。方法通过厚度计、力学实验机、摩擦测量装置分别对5种织带材料44-2600,44-2000A,44-1600,18-650和20-530A进行测试,其中前3种为主带,后2种为辅带。结果该5种织带厚度分别为(1.88±0.04)mm,(1.99±0.03)mm,(1.78±0.01)mm,(0.99±0.01)mm和(1.72±0.01)mm,3种主带与棉布及皮革的摩擦系数分别为0.185,0.213,0.178以及0.411,0.432,0.375。44-2600和18-650分别在主带和辅助带中表现出最高的抗拉强度。结论主带和辅带分别为44-2600和18-650的救生伞背带能提供更好的力学强度和约束性能。

座椅椅背倾角对飞行员颈部损伤的影响

目的探究不同椅背倾角对飞行员颈部损伤的影响。方法基于头颈部多刚体动力学模型,对两种典型飞行工况下(急转弯和稳定盘旋)椅背倾角17°和22°进行仿真计算,得到颈部肌肉力及椎间力,并采用颈部损伤的NIC准则、Nij准则和简明损伤分类方法对颈部损伤进行评估与预测。结果同一飞行工况下,椅背倾角17°时,颈部前屈,斜方肌和头夹肌受到拉伸。椅背倾角22°时,颈部后伸,集总舌肌受到拉伸,且椅背倾角17°时斜方肌受到的拉力最大。同一颈椎节段,椅背倾角17°时的轴向力高于椅背倾角22°时,而22°时的后伸力矩大于17°时的前屈力矩。所有飞行工况下的力和力矩均未超过颈椎节段的损伤评估值,颈部脊髓也不会发生损伤。急转弯工况下,椅背倾角为22°时C7~T1节段Nij在所有工况中最大,达到航空领域建议的临界值,此时颈部发生中度、重度伤的概率分别为3.93%、2.63%。结论本研究结果可为评估椅背倾角对飞行员颈部的损伤情况提供支撑。

不同结构护踝对伞兵着陆时足外踝损伤防护的仿真研究

目的研究不同结构护踝对伞兵着陆于斜面时足外踝损伤的防护性能。方法测量伞兵着陆于20°斜面时的冲击时间和足底压力,建立完整的足-护踝结构有限元模型,模型包括护踝及足部骨骼、软骨、韧带、筋膜、软组织和皮肤,比较不同结构护踝对足外踝损伤的防护效果。结果护踝袜可有效地分布足底压力于前足外侧和跟骨区域,而护跖式护踝袜可降低腓骨29.9%的峰值应力,使跟腓和距腓前韧带的应变分别降低32.6%和32%。结论伞兵着陆于斜面时,合理选择对应的护踝结构对足外踝具有良好的防护作用。

短距离起飞加速度对飞行员操作影响的分析

短距离起飞产生的过载加速度可能对飞行员的安全操作造成极大隐患。本文建立飞行员-座舱系统的多刚体模型,仿真分析了胸-背方向的加速度载荷(Gx)对飞行员驾驶状态下的人机动力学响应。首先,根据第3百分位的男性人体测量学数据,通过三维CAD软件建立了飞行员的虚拟假人模型;并根据设计参数的要求建立了包括座椅和操作杆(油门杆与驾驶杆)在内的飞机座舱模型。然后,以标准的短距离起飞的加速度模拟曲线为载荷条件,利用多刚体动力学软件ADAMS模拟了飞行员在短距离加速起飞过程中的动力学响应及飞行员与操作系统之间的力学相互关系。仿真结果表明,过载加速度会经飞行员身体传递给操作杆,5G加速度载荷产生的传递力作用在驾驶杆和油门杆上的值分别为128 N和211 N,两者均已超过了通常操作杆所设计的有效阈值,因此存在误操作的可能。另外,本文结合仿真结果和国外现有战机设计,提出了短距离起飞下飞行员避免误操作的可行方式,结果显示该方式可以有效地转移加速度传递所带来的影响。本文方法将为在短距离起飞作用下避免误操作的分析提供技术途径,得到的结果将为驾驶部位的人机设计提供参考。

男性颈部防护装置人机接口参数的研究

目的:研究我国成年男子头颈部前屈运动特征,其中包括头部质心轨迹与前屈角度。方法:根据中国成年人人体尺寸国家标准GB10000-88,选取5/50/95三个百分位志愿者各10例;受试时,志愿者躯干保持不动,头颈部在矢状面内自然前屈;使用Raptor-4运动捕捉系统捕捉志愿者身上所贴标志点的坐标,通过对标志点坐标计算得出头部质心与转动角度。结果:(1)获得了5/50/95百分位成年男子头颈部前屈运动特征,运动特征数据与志愿者身高成正相关;(2)将运动特征数据取综合均值作为装置设计基准,3个百分位数据相对于综合均值的误差最大为10.08%。结论:通过头颈部前屈运动特征研究,可为颈部康复或防护装置设计提供边界条件。

飞行过程中头盔对飞行员颈部损伤的影响

为研究飞行过程中不同头盔对飞行员颈部损伤的影响,基于头颈部多刚体动力学模型,对急转弯及稳定盘旋飞行工况下4种头盔情况开展了动力学分析。得到了不同头盔作用下颈部肌肉力、椎间力、力矩及颈部损伤指数N的变化规律,对不同头盔作用下的颈部损伤风险进行了评估。结果表明:所建立的头颈部模型与实验结果较为吻合,可以用来进行仿真模拟分析;相同飞行工况下,B头盔的佩戴使得头部质心前移,增加了颈部前屈时斜方肌的肌肉力;对于同一颈椎节段,B头盔的轴向压缩力最大,而C头盔导致的后伸力矩最大;在所有的计算工况中,上下颈椎的颈部损伤指数N均小于0.5,满足航空领域的安全要求;B头盔和C头盔的质量相近,而B头盔质心位置靠前,C头盔靠后,说明头盔质心的前后位置会对颈部的损伤产生重要影响。研究结果可为飞行员头盔的设计优化及其对颈部损伤的影响提供研究支撑。