特定载荷条件下飞行员座椅靠背优化设计

Optimization Design of Pilot Seat Backrest under Specific Loading Conditions

摘要

为优化某飞行员座椅靠背，降低特定载荷下飞行员肩胛区域压力和腰椎间盘应力，建立包含飞行员座椅、安全带、安全头盔、人体模型的混合有限元模型. 通过志愿者实验测得+1gX加速度载荷下人体肩胛区域最大压力值，验证模型有效性，测得肩胛骨受到限制时的压力阈值为57 kPa. 在基础模型上建立肩胛靠垫和4种不同腰部支撑结构，在施加相同载荷，有、无腰部支撑和肩胛靠垫情况下，分析人体模型生物力学响应及不同位置、不同连接方式下腰部支撑结构对人体模型腰椎间盘应力和肩胛区域压力的优化程度. 结果表明，4种腰部支撑方案均能在一定程度上减小腰椎间盘应力，其中低位硬连接腰部支撑结构优化效果最佳，在+1gX、+3gX、+6gX加速度载荷下，腰椎间盘最大应力优化率分别为33.13%、44.25%、42.61%，肩胛骨区域最大压力减小了83.7%，小于肩胛骨受到限制时的压力阈值.

Abstract

To optimize the pilot seat backrest and reduce the pressure of the shoulder blade region and the stress of the lumbar intervertebral disc under specific loads， a hybrid finite element model encompassing the pilot seat， safety belt， safety helmet， and human body model was constructed in this paper. The maximum pressure on the human shoulder under +1gX load was measured through volunteer experiments to validate the model’s effectiveness， and the pressure threshold when the scapula was constrained was determined to be 57 kPa. A shoulder cushion and four distinct lumbar support structures were established on the fundamental model. The same load was applied to analyze the biomechanical responses of the human body model with and without the lumbar support and shoulder cushion， as well as the optimization degrees of the four lumbar support structures with different positions and connection methods on the stress of the lumbar intervertebral discs and the pressure in the scapular region of the human body model. The results indicate that all four lumbar support schemes can reduce the stress of the lumbar intervertebral discs to a certain extent. Among them， the low-position rigidly connected lumbar support structure exhibits the best optimization effect. The optimization rate is 33.13% under +1gX load， 44.25% under +3gX load， and 42.61% under +6gX load， respectively. The pressure in the scapular region is decreased by 83.7% and is lower than the pressure threshold when the scapula is constrained.

Graphical abstract

关键词

腰部支撑 / 有限元模型 / 生物力学 / 优化设计

Key words

lumbar supports / finite element model / biomechanics / optimization design

随着我国航空工业的发展，从20世纪50年代第一代歼击机试飞成功开始，到现在，战斗机已经是空中作战的主要武器，更是一个国家国防力量的衡量标准^［1-2］. 近几年以来，随着空军先进飞行装备的更新换代，飞行员飞行训练的强度和难度显著提升，在军事作战和演习中，战斗机的性能和机动性越来越高.飞行员在战术机动飞行过程中往往会承受更高和更复杂的冲击加速度^［3］，这种加速度会给飞行员带来严重的健康困扰.

飞行员在空中飞行时必然受到飞机加速度的影响，特别是高性能战斗机的高加速度更加明显^［4-8］. 高性能战斗机作业训练时，由于飞行员要承受3~4 s复合加速度带来的过载以及不同方向载荷快速转换导致的推拉效应的影响^［9-10］，飞行加速度载荷峰值和增长率分别可达9g和3~6 g/s^［11-12］. 当飞行员处于不同的加速度作用下时，脊柱的受力状态会发生相应的改变，负荷增加，椎体局部应力增高，椎间盘及韧带不可避免地受到不同程度的影响. 高性能战斗机的加速度不仅会引起飞行员急性脊柱损伤，导致战斗力下降，而且由于反复急性损伤导致脊柱慢性退变，从而引发长期颈肩腰背部疼痛. 衡伟等^［13］调查了215名飞行员，他们的腰椎-骨盆-下肢具有不同程度损伤，通过计算机断层扫描和磁共振成像检查表明，飞行员腰椎的退行性改变及其营养障碍过程与临床症状及椎间盘突出的发生密切相关. 不少研究表明，高性能战斗机的飞行员的脊柱形成了明显的骨赘、椎间盘突出、脊髓受压和神经孔狭窄^［14-15］. 马阳光^［16］通过发放480份飞行员脊柱健康问卷调查表的方式进行问卷调查，调查对象包括歼击机飞行员、运输机飞行员以及直升机飞行员，调查结果显示，3种机型飞行员腰背痛的平均年发病率为66.4%；该团队调查了连续3个月内不同机型飞行员腰背痛的发病率，结果显示，以上3种机型飞行员腰背痛平均3个月发病率为51.5%. 飞行员座椅的设计影响飞行员的舒适性和安全性^［17-20］，进而影响航空安全.

本研究旨在建立特定载荷下飞行员座椅、安全带、安全头盔、人体模型的混合模型，在模型上施加沿X轴正向，大小分别为1g、3g、6g的加速度载荷，对比分析有、无腰部支撑及肩胛靠垫情况下人体模型腰椎间盘应力和肩胛区域压力，对比分析不同位置不同连接方式下，4种腰部支撑结构对人体模型腰椎间盘应力和肩胛区域压力的优化程度. 其目的是为设计人员提供与座椅设计相关的飞行员反馈和建议，以解决与设计相关的问题和处理与飞行员相关的健康伤害. 针对飞行员脊柱损伤的研究，优化改进飞行员座椅，提升高加速情况下肩胛活动灵活度，减小高过载状态下腰椎受力负荷，降低飞行员腰椎劳损、腰椎间盘负担等， 保护飞行员的脊柱，降低飞行员脊柱损伤，减少飞行员腰背痛的发病率.

1 方法和材料

对某型战斗机座椅进行三维扫描并重建其有限元模型，赋予真实材料属性；参照正常飞行员身材，以THUMS模型为基础建立含详细脊柱解剖学结构的人体有限元模型；将人体模型与座椅模型进行匹配，设置约束系统（安全带、头盔）；对特定工况下的仿真模型分别施加沿X轴正向，大小分别为1g、3g、6g（+1gX、+3gX、+6gX）的加速度载荷，划定肩胛区域的范围，分析肩胛区域压力分布情况. 模拟优化肩胛区域和靠背的最佳弹性曲线，使得在+6gX过载状态下肩胛区域的应力仍能小于测算的束缚肩胛活动的最大压力值. 设计4种座椅腰部支撑方案，分别建立有限元模型，使用弹性块结构与座椅有限元模型连接. 对采用不同腰部支撑方案的混合模型分别施加沿X轴正向，大小分别为1g、3g、6g（+1gX、+3gX、+6gX）的加速度载荷，分析各项过载状态下腰椎和椎间盘的应力情况. 综合对比分析，挑选在大过载（+6gX）状态下应力分布最为均匀的腰部支撑方案.

1.1 座椅模型建立

利用手持式彩色三维扫描仪扫描座椅实体模型，形成点云文件和STL三角形网格模型，通过Geomagic软件清理模型网格，获取需要的部位. 利用清理过后的三角形网格构建曲面片（精确曲面），形成座椅几何模型. 将几何模型导入Hypermesh前处理软件，简化对结果没有影响的部件，并对几何模型中的破面、断面进行优化，得到座椅基本模型.进一步划分网格，调整网格质量，形成座椅有限元模型，如图1所示.

座椅实体与有限元模型尺寸对比如表1所示. 与传统的简化座椅模型相比，利用本研究建立的座椅模型进行后续研究，有利于提升结果可信度. 在本研究中，与飞行员相比，座椅几乎不发生变形，因此座椅材料被简化为刚性材料，在LS-DYNA中采用MAT-24材料卡片进行定义.

1.2 人体有限元模型建立

根据《中国男性飞行员人体尺寸》（GJB 4856—2003）^［21］，歼（强）击机飞行员50百分位人体的基础数据分别为：身高170.4 cm，体重68.0 kg. 本文选取身高170 cm，体重72 kg，无腰椎盆骨相关疾病，扫描层厚0.1 mm男性的腰骶部CT扫描数据进行人体腰骶部有限元模型建模. 有限元模型的建立主要分为三维实体模型的建立、网格划分、模型前处理等步骤. 按照图2所示流程，通过Mimics软件进行腰椎CT图像分离，提取三维实体STL文件. 为去除噪点，防止应力集中，使用Geomagic软件对已提取模型进行修复并导出通用三维格式IGS. 通过Hypermesh根据腰骶部解剖学结构创建对应的椎间盘与韧带，并对整体网格进行划分. 将网格模型放入LS-DYNA中进行连接定义、材料属性赋予等前处理流程，建立完整的腰骶部有限元模型，其中材料参考THUMS人体模型及文献［22-23］. 腰骶部材料属性及单元信息如表2所示.

THUMS第五代模型基本尺寸为身高175 cm，体重74 kg. 用中国飞行员50百分位人体测量尺寸除以THUMS测量尺寸，得到缩放因子. 根据THUMS身体基本尺寸，选取缩放因子s值为0.93. 缩放完成之后，将THUMS中腰椎、骶骨、尾骨及相关联的肌肉、韧带、椎间盘等软组织删除，并将其所对应的连接关系、接触定义、加载条件等全部删除. 将本节建立的腰骶局部模型导入THUMS模型中，根据解剖学结构调整到相应位置，避免网格交叉. 建立骶骨与髂骨的连接，提取骶髂关节表面网格，用四边形网格将其封闭，对内部用四面体网格划分连接骶髂关节. 建立骶髂韧带连接，从下至上包括骶结节韧带、骶髂骨间韧带、骶髂前韧带、骶髂后韧带，建立髂腰韧带连接.

腰骶部有限元模型如图3所示. 按照THUMS区块划分规范对自建模型重新编号，并删除THUMS中腰椎、骶骨、尾骨及相关联的肌肉、韧带、椎间盘等软组织. 在模型连接中，由于第十二胸椎T12下终板网格与第一腰椎L1上终板网格不对称，无法完成映射，因此需要重建T12和L1之间的椎间盘和韧带，连接关系如图3（f）所示. 调整完成脊椎的连接关系后，检查并调整自建腰椎模型和THUMS间的穿透和接触问题.

参考Renner等^［24］腰骶部尸体试验对模型的第一腰椎L1至第一骶椎S1段的脊椎进行验证仿真. 对比仿真结果和试验实测数据发现，模型在1 200 N预压工况下，腰椎间盘压缩量为1.1~2.1 mm，与试验结果拟合较好；在无预压旋转和横弯时，模型总体偏转角分别为17.2°和38.9°，均与试验数据相差约一个标准差；在800 N预压前后屈伸工况下，模型总体偏转角为43.5°，与试验数据符合良好. 证明本文建立的腰骶部模型具有较高的生物逼真度，可以用于进一步研究.

1.3 特定工况仿真模型建立

头盔和安全带的建模参考李凡等^［25］的建模方法，其中头盔模型使用三维激光扫描仪扫描实物获得，安全带为四点式“X”型安全带. 建立完成的头盔和安全带有限元模型分别如图4（a）和图4（b）所示. 将头盔模型与人体模型进行装配，并将人体模型布置在座椅模型上. 根据真实的驾驶工况，对人体模型姿态、安全带位置、座椅靠背角度进行调整，并定义头盔与头部、安全带与胸部、安全带与骨盆、躯干与座椅等的接触关系. 得到沿X轴正向施加加速度载荷工况时人体混合模型，对混合模型进行预仿真，调整假人手部和大腿姿态，使其更符合飞行员实际执行操作的姿态. 调整前、后模型分别如图4（c）和 图4（d）所示.

1.4 志愿者实验

通过志愿者实验测算沿X轴正向，大小为1g（+1gX）加速度载荷工况下人体肩胛区域压力值，并与仿真模型在+1gX加速度载荷下仿真计算得到的肩胛区域与座椅接触的最大压力值进行对比，验证模型的有效性. 随后继续施加质量，模拟飞行员在加速度场下肩胛区域的受力情况，测量肩胛区域受限制时的压力阈值，并以此为目标设计优化靠垫和腰部支撑，使得飞行员在大载荷条件下肩胛骨活动不受限制.

参照50百分位飞行员身材信息，征集3名志愿者进行重复实验，记录身高、体重、年龄等信息，如 表3所示，利用压力分布测试系统测试不同压力下肩胛区域压力值. 受实验条件限制，对问题进行了简化处理.志愿者采用仰卧姿势，在垂直向下1g重力加速度作用下进行肩胛区域的压力测试，该姿态下的受力等效于飞行员坐姿时X方向+1g加速度的工况，用于验证有限元模型的有效性. 志愿者通过卧推杠铃，模拟飞行员在加速度场下肩胛区域的受力状态，该实验中的载荷方向与实际情况相似，可用于测定肩胛活动受限时的压力阈值. 实验终止条件是志愿者主观感觉肩胛骨被束缚，无法继续推举杠铃或压力分布测试系统测得的应力分布发生变化，应力集中位置发生偏移后停止. 记录测试系统分析终端的最大压力值，结束实验. 志愿者实验如图5所示.

1.5 腰部支撑及肩胛靠垫混合模型建立

设计4种座椅腰部支撑方案（两种不同连接方式的高位和低位腰部支撑各一个），分别建立有限元模型，使用弹性块结构与座椅有限元模型连接，建立腰部支撑及肩胛靠垫的混合模型，如图6所示. 低位腰部支撑与假人主要接触位置为第四、五节腰椎（L4、L5），骶骨和部分骨盆位置；高位腰部支撑与假人主要接触位置为第一、二、三节腰椎（L1、L2、L3）. 两种腰部支撑结构均有一定的弧度，能更好地贴合人体脊柱自然生理曲线. 对不同腰部支撑的混合模型施加沿X轴正向，大小分别为1g、3g、6g（+1gX、+3gX、+6gX）的加速度载荷，分析各项过载状态下腰椎和椎间盘的应力情况. 综合对比分析，挑选在大过载（+6gX）状态下应力分布最为均匀的腰部支撑方案.

划定肩胛区域后建立肩胛区域靠垫，尽可能扩大靠垫区域面积以满足不同身材的飞行员. 肩胛区域靠垫和腰部支撑分别通过共节点方式和连接块与座椅靠背连接，连接方式分为软连接和硬连接. 硬连接块在LS-DYNA中采用MAT-24材料卡片进行定义，材料密度为7 890 kg/m³，弹性模量为210 GPa； 软连接块采用57号低密度泡沫材料，材料密度为100 kg/m³，弹性模量为5 MPa.

搭建初版混合模型后分别施加+1gX、+3gX、+6gX的加速度载荷，设置输出座椅与假人接触的主面和从面各个节点的接触力，用于后续计算假人肩胛区域所受压力. 选取+1gX方向仿真试验与志愿者实验进行对比，验证模型的有效性. 建立肩胛区域靠垫和4种不同腰部支撑模型与初版混合模型连接，对比有、无腰部支撑及肩胛靠垫工况下人体模型椎间盘最大应力，查看+6gX载荷下人体模型肩胛区域压力是否满足志愿者实验测得肩胛骨受限时的压力阈值.

2 结 果

2.1 肩胛区域压力

在不同外力下，志愿者肩胛区域压力值如图7所示，图中不同颜色代表不同的压力值，在本研究中仅关注峰值压力，即橙色部分对应的数值. 平躺无任何外力施加的情况下，测得志愿者肩胛区域左侧压力为24 kPa，右侧压力为21 kPa；施加6 kg外力作用下，测得志愿者左、右两侧肩胛区域最大压力值均为31 kPa；施加12 kg外力作用下，测得志愿者左侧肩胛区域最大压力值为49 kPa，右侧肩胛区域最大压力值为47 kPa；施加24 kg外力作用下，测得志愿者左侧肩胛区域最大压力值为49 kPa，右侧肩胛区域最大压力值为51 kPa. 外界压力达到志愿者主观承受压力最大值时，受试者手臂缓慢下移，测得肩胛区域压力值最大为57 kPa，如图8所示.

人体模型在无腰部支撑，不同加速度载荷下，无靠垫时肩胛区域与座椅接触压力如图9所示.在+1gX、+3gX、+6gX加速度载荷下，人体模型肩胛区域左侧最大压力值分别为23.4 kPa、212.0 kPa、284.0 kPa，右侧最大压力值分别为19.7 kPa、188.0 kPa、371.4 kPa.

人体模型分别在4种腰部支撑，+6gX载荷情况下，有靠垫时肩胛区域左、右两侧与座椅接触压力峰值大小及出现位置如图10所示. 在低位硬连接、高位软连接腰部支撑防护下，左侧肩胛区域接触压力峰值分别为46.18 kPa、43.31 kPa，右侧肩胛区域接触压力峰值分别为52.77 kPa、28.23 kPa. 具体结果如表4所示，其中优化率计算方式为压力下降值除以初始压力值.

2.2 腰椎间盘应力

图11为不同加速度载荷下人体模型腰椎间盘的Von-Mises应力分布图. 椎间盘和纤维环是吸收椎体间冲击振动能量的主要结构，应力主要集中在椎间盘纤维环侧.在+1gX、+3gX、+6gX加速度载荷下，椎间盘最大应力分别为5.198 MPa、5.482 MPa、5.280 MPa.

图12、图13、图14分别为3种不同加速度载荷，4种不同腰部支撑结构下腰椎间盘的Von-Mises应力分布图. 4种腰部支撑结构包括低位硬连接、高位硬连接、低位软连接、高位软连接，4种腰部支撑结构均能在一定程度上减小椎间盘纤维环各节段的Von-Mises最大应力值. 对3种加速度载荷下4种腰部支撑结构的腰椎间盘最大应力值进行统计，如表5所示.

3 讨 论

无腰部支撑靠垫实验中，在+1gX加速度载荷下，人体模型肩胛部左侧最大压力值为23.4 kPa，右侧最大压力值为19.7 kPa. 志愿者实验中志愿者平躺，靠自身质量作用在压力垫上，无外力干预时测量肩胛区域左侧压力为24 kPa，右侧最大肩部压力为21 kPa，最大误差约6.2%，误差较小，在可接受范围之内，证明此模型有效，具有较高的可靠性. 后续进行了较大载荷下的实验，肩胛区域最大压力值明显增加. 同时志愿者实验测得肩胛骨受到限制时的压力阈值为57 kPa.

增加腰部支撑结构进行仿真试验后，4种不同腰部支撑结构均能在一定程度上对腰椎间盘纤维环各节段的Von-Mises应力最大值进行优化，其中低位硬连接结构在3种加速度载荷下对腰椎间盘应力的优化率均高于其他3种腰部支撑结构. 由表5可知，在+1gX加速度载荷下优化率为33.13%，高于另外3种结构；在+3gX加速度载荷下优化率为44.25%，远高于其他3种结构；在+6gX加速度载荷下低位软连接、高位硬连接、高位软连接3种腰部支撑结构效果较差，但低位硬连接结构的优化率高达42.61%，能在较大加速度载荷下更好地防护飞行员腰部. 结合实际情况，低位硬连接的腰部支撑结构能在加速度载荷下更好地限制人体腰部和臀部的位移和脊柱的晃动，通过腰部支撑和肩胛靠垫的变形更好地吸收能量，减轻人体所受的载荷.

增加腰部支撑和肩胛靠垫后，人体模型肩胛不再直接与座椅接触；在+6gX加速度载荷下4种腰部支撑结构均能很好地优化人体模型肩胛区域与靠垫接触的压力值，且均小于志愿者实验测得的肩胛骨受到限制时的压力阈值. 由表4可知，高位腰部支撑在肩胛区域防护上的作用效果优于低位腰部支撑，原因在于高位腰部支撑的存在能吸收部分由于人体胸部运动带来的能量，从而减小肩部所受的力. 但综合腰椎间盘应力值来看，选择低位硬连接的腰部支撑结构更能全方位抵御飞行员飞行过程中的损伤风险.

4 结 论

本研究通过建立特定载荷下飞行员座椅、安全带、安全头盔、人体模型的混合有限元模型，分别施加+1gX、+3gX、+6gX 加速度载荷，得到无腰部支撑及肩胛靠垫情况，不同载荷工况下人体肩胛区域压力值和腰椎间盘最大应力值. 结合志愿者实验对模型进行验证，建立4种不同腰部支撑和肩胛靠垫混合模型，在相同加速度载荷下进行仿真对比，得到主要结论如下：

1）肩胛靠垫和腰部支撑结构能很好地优化人体模型肩胛区域的接触压力值，在同一靠垫情况下，高位腰部支撑在一定程度上能更好地减小人体模型肩胛与靠垫的接触压力.

2）同种加速度载荷下，相较于无腰部支撑靠垫工况，低位硬连接、低位软连接、高位硬连接、高位软连接的腰部支撑结构，均能在一定程度上减小人体模型腰椎间盘纤维环各节段的Von-Mises应力最大值. 高位腰部支撑在高加速度载荷（+6gX）下防护效果较差，硬连接优于软连接.

3）在4种不同腰部支撑结构中，低位硬连接在各工况下均展现出优于其他3种结构的防护效果，尤其在高载荷（+3gX、+6gX）条件下表现尤为显著. 例如，在+3gX加速度载荷下，未设置腰部支撑时腰椎间盘的最大应力为5.482 MPa，采用低位硬连接后降至3.056 MPa，优化率达44.25%；在+6gX载荷下，无腰部支撑时的腰椎间盘最大应力为5.280 MPa，采用低位硬连接后降低至3.030 MPa，优化率为42.61%.

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(51205117)

National Natural Science