坐姿人体的冲击动力学响应分析

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1、振动与冲击第29卷第9期JOURNALOFVIBRATIONANDSH0CK坐姿人体的冲击动力学响应分析颜磷娟，杨智春，罗亨存。(1．西北工业大学航空学院，西安710072；2．成都飞机设计研究所，成都610041)摘要：基于人体生物动力学模型简化原则建立了坐姿人体二维有限元模型，计算得出人体坐姿模型在不同冲击工况下的动力学响应。结果表明，坐姿人体受垂直方向冲击时，头部加速度和速度响应较大，同时头部伤害指标值(HeadInjuryCriterion，HIC)远大于水平冲击时的头部伤害指标值。受水平冲击时，人体腰部的加速度响应较大。在提供安全带保护的情况下，尽管

2、骨盆处安全带能起到一定的保护作用，但肩部安全带的保护效果更为明显；此外，同时使用肩部和骨盆处安全带能大幅降低坐姿人体的加速度响应和头部伤害指标，是一种有效的安全保护措施。关键词：冲击；动力学响应；头部伤害指标(HIC)；坐姿人体中图分类号：R852．21文献标识码：A人体动力学研究近年来倍受关注，它是衡量民用护措施，而选取适当的座椅支持刚度可以减小人体关交通工具如客机和汽车的安全合格指标，同时也是生键部位的加速度响应。物医学和人机界面设计中评价人体在振动、冲击环境脊椎是人体的重要支持和负荷结构，它由坚硬的下伤害度和舒适度的重要依据。针对不同环境，学者脊椎骨、韧

3、带和椎间盘组成。人体头部是人体最容易们建立了大量的人体模型并作了相应分析研究。何浩受伤害的部位，如何保护人体脊椎和头部，降低在冲击祥¨一根据单步落足曲线将人体等效为主体部分和耦合环境下的伤害程度成为研究重点。本文采用一个坐姿质量的时变动力模型，指出人体的自振频率、行走步频人体二维有限元模型研究垂直冲击和水平冲击下人体及速度都影响着结构的动力响应和人体舒适度。吴脊椎的动力学响应和头部伤害指标，考虑了不同安全炯通过构造一组肌肉力函数的新方法精确计算了手带形式对人体的安全保护效果。臂运动轨道。l坐姿人体模型的动力学响应分析有效可靠的人体动力学响应数据能够给载运工程领

4、域的研究者提供有效的设计参数，不断改善优化飞1．1坐姿人体动力学模型机、车辆等载运工具设计中的安全保护措施，在飞机应基于S．Kitazakil8建模思路和T．Belytschko¨9提出急着陆或车辆发生碰撞时对人体实施有效保护。张的人体生物动力学模型简化原则，在MSC．Patran软件鄂-4基于多体系统动力学原理，建立坐姿人体上体多平台上依据文献[8]相关参数建立了坐姿人体动力学自由度垂直振动模型，研究了人一车(人一椅)系统人二维有限元模型，如图1所示，该模型充分体现出人体体和座椅的振动特性，指出汽车坐垫和座椅悬架刚度、在保持正常坐姿时，骨盆向后转动，脊椎伸直

5、的特点。阻尼均能对人体振动特性产生较大影响。姜海波依S．Kitazakil8对模型参数进行了试验验证和校正，模型据人体测量学参数建立了具有骨骼和关节的人体下肢的可信度较好，用其计算得到的人体响应结果有效可冲击动力学模型，对人体不同下坠速度所受的冲击损伤进行评估，提出下肢略为弯曲的站姿可有效减少冲击载荷的作用。针对飞机上存在的冲击问题，余新刚j用坐姿人体有限元模型模拟直升机驾驶员，分析●得出：坐姿人体臀部受到冲击时，颈部和腰部会出现高臣．爨●应力区；对于不同形式的载荷，载荷冲量相等时，颅骨●—矗●—动态响应一致。杨智春采用11自由度坐姿人体模型分析飞机着陆撞击时

6、人体的冲击响应问题，得出在受到垂直冲击时，人体腰部响应较大，应采取相应的保y基金项目：高等学校学科创新引智计划项目(B07050)。ZL收稿日期：2009—11—19修改稿收到日期：2010—03—08第一作者颜磷娟女，硕士生，1986年生图1人体坐姿有限元模型通讯作者杨智春男，教授，博士生导师，1964年生Fig．1Finiteelementmodelofseatedhumanbody152振动与冲击2010年第29卷靠。由于本文仅研究坐姿人体在乘坐载运工具受到垂1．2垂直6g冲击下坐姿人体动力学响应分析直或水平冲击时动力学响应问题，因而脊椎间相对的当发生紧

7、急或意外情况时，载运工具上的人会受转动可以忽略。到一个冲击激励，在该激励下的人体躯干各关键部位该坐姿人体二维有限元动力学模型利用梁元、弹的动力学响应是评价人体是否会受到冲击伤害的决定簧元和集中质量元模拟坐姿人体的脊椎，内脏，头部，因素。客机在紧急情况下应急着陆时，机体(或通过起骨盆和臀部组织等。依据人体生物动力学模型简化原落架)会与跑道发生较强烈的撞击，这对客机上的乘员则，全脊椎用25个具有轴向刚度和弯曲刚度的梁单来说，等同于受到一个垂直和／或水平方向上的冲击。元来模拟脊椎的纵向和弯曲变形。人体头部简化为一冲击过程中，冲击加速度大小、方向及作用时间影响着个连接

8、在整个脊椎的顶端的集中质量。模拟颈部的