飞行员弹射座椅双层坐垫的生物力学评估：全尺寸假人试验与有限元分析

《Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine》：Biomechanical evaluation of a dual-layer cushion for pilot ejection seats: Full-scale dummy tests and finite element analysis

　　

摘要

脊柱和颈部损伤是飞行员弹射过程中主要的生物力学问题，特别是在高垂直加速度条件下。作为座椅座面与乘员之间主要的载荷传递界面，坐垫影响冲击载荷向人体的传递方式。本研究评估了一种双层坐垫，由厚度比为2:1的N3慢回复接触层和N1高回弹支撑层组成，以单层N1坐垫作为参考。在10 G和14 G条件下进行的全尺寸垂向假人弹射试验用于评估脊柱和颈部的动态响应。同时，基于CT的人体-坐垫有限元模型也用于分析代表性高加速度条件下的静态界面压力和脊柱局部响应。与参考坐垫相比，双层坐垫在10 G时使$\mathrm{DRI}$降低17.6%，在14 G时降低7.3%，同时还降低了颈部上段和下段的合力及$N_{\mathrm{ij}}$值。在14 G时，上颈和下颈$N_{\mathrm{i}\mathrm{j}}$分别降低了19.9%和27.6%。有限元结果进一步显示，L4–L5和L5–S1椎间盘的峰值应力分别降低了13.1%和14.5%。这些结果表明，分层坐垫材料可以改变人体-座椅界面的冲击载荷传递，并降低与脊柱和颈部损伤相关的生物力学响应。假人试验和人体有限元分析在全身体动态和局部组织力学层面提供了互补证据，用于评估双层坐垫的生物力学保护作用。

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