基于Ansys 的載人登月跳躍式返回過程中人體胸部骨骼系統(tǒng)損傷分析

包佳儀，周前祥，姚永杰，郭 攀，程 楊

(1. 北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院， 北京100191； 2. 北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心， 北京100191； 3. 海軍特色醫(yī)學(xué)中心， 上海210000； 4. 鄭州大學(xué)力學(xué)與安全工程學(xué)院， 鄭州450001)

1 引言

探月飛船返回地球時(shí)，飛船進(jìn)入大氣層前具有第二宇宙速度，傳統(tǒng)彈道式返回產(chǎn)生的過載可達(dá)到17g。 為了降低過載、熱流以及動(dòng)壓峰值，防止過載超過航天員的承受極限而對(duì)生命造成威脅，飛船以較小的再入角進(jìn)入大氣層，依靠升力跳出大氣層，此時(shí)航天器已經(jīng)降到了第一宇宙速度之下，做一段彈道式飛行后再次進(jìn)入大氣層，這種返回方式稱為跳躍式返回。 對(duì)比傳統(tǒng)彈道式返回，跳躍式返回會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值，但過載峰值相對(duì)較小，有效地提高了安全性。 第二宇宙速度跳躍式返回是中國探月工程需突破和掌握的關(guān)鍵技術(shù)。

探月飛船的加速度對(duì)人體的影響一直受到美、俄等國的關(guān)注，NASA 公布的重返月球計(jì)劃也對(duì)飛船返回著陸進(jìn)行了系統(tǒng)研究。 跳躍式返回過程中，航天員會(huì)受到較大的持續(xù)性向前加速度(胸-背向)作用，由于座椅與艙底平面有一定夾角，航天員在頭盆向還受到分力作用。 國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于高過載加速度對(duì)人體的影響均做過大量的實(shí)驗(yàn)，包括動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、志愿者離心機(jī)實(shí)驗(yàn)以及志愿者火箭滑車實(shí)驗(yàn)等。 Little 等研究表明，當(dāng)施加胸背向5g、7g 以及9g 加速度載荷時(shí)，志愿者會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)能力下降，胸廓直徑縮小，心率升高，但是身體基本無礙；隨著載荷的不斷升高，生理指標(biāo)不斷下滑，當(dāng)載荷升高至10g 以上，人體會(huì)出現(xiàn)胸部疼痛、呼吸困難以及咯血等癥狀。 由于實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性過高，尚無法完全按照跳躍式返回過程中的過載及時(shí)間來模擬實(shí)驗(yàn)，且離心機(jī)實(shí)驗(yàn)也與真實(shí)返回情況存在一定差異，該過程對(duì)人體的影響究竟達(dá)到什么程度，身體哪個(gè)部位最易發(fā)生損傷，以及如何防護(hù)等問題尚有待進(jìn)一步研究。

本文采用有限元建模與仿真的方法來計(jì)算和分析航天員在跳躍式返回過程中胸部骨骼及軟組織的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，并結(jié)合損傷判定準(zhǔn)則分析是否會(huì)造成胸部骨骼及軟組織損傷以及損傷發(fā)生概率。

2 有限元模型的建立

根據(jù)人體解剖學(xué)結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)關(guān)系，建立人體胸部骨骼及軟組織有限元模型。 骨骼模型包括椎骨、肋骨和胸骨；軟組織模型包括肋軟骨、椎間盤和韌帶。

2.1 幾何模型的建立

根據(jù)中國男性航天員的人體參數(shù)，選取年齡26 歲，身高171.5 cm，體重70 kg，無胸部畸形和病變的男性志愿者一名。 通過16 排螺旋CT 進(jìn)行掃描，得到人體全脊柱組織掃描斷層圖像，分辨率為512×512 像素。

首先將掃描的CT 圖像導(dǎo)入到Mimics 軟件中，設(shè)置骨骼的灰度閾值，逐張對(duì)骨骼模型進(jìn)行分割，分別建立胸椎T1 ～T12、全肋骨及胸骨的3D骨骼模型；然后提取肋軟骨的灰度信息，完成對(duì)肋軟骨模型的建立，模型效果對(duì)比如圖1 所示；其次將模型依次導(dǎo)入RapidformXOR3 中進(jìn)行光滑處理；利用Geomagic Studio 軟件對(duì)幾何模型的曲面進(jìn)行平滑和修復(fù)，建立曲面格柵；最后擬合并構(gòu)造Nurs 曲面。

圖1 肋軟骨模型效果對(duì)比Fig.1 Comparison of costal cartilage models

由于受到CT 圖像清晰度的限制，一些軟組織不能很好地顯影，因此在Geomagic Studio12.0軟件中繪制椎間盤。 截取與椎間盤相鄰上下椎體的接觸面，再利用抽殼、雕刻、布爾運(yùn)算等功能形成椎間盤，將椎間盤按質(zhì)心縮小50%，抽殼后切割，形成髓核和纖維環(huán)。 該方法建立的椎間盤模型可以完美貼合椎體表面，避免因模型不完全匹配而造成的應(yīng)力集中問題。

2.2 有限元模型的建立

2.2.1 網(wǎng)格劃分

將曲面模型導(dǎo)入到Hypermesh 及Ansys 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和質(zhì)量檢測(cè)。 由于生物體形態(tài)不規(guī)則，且骨骼表面大角度曲面變化較多，采用四面體網(wǎng)格；設(shè)置最小角度為30°，最大角度為120°；網(wǎng)格單元最小為0.6 mm，最大為1 mm；骨骼模型劃分為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨，皮質(zhì)骨采用1.5 mm 厚的shell181 單元，松質(zhì)骨和肋軟骨均采用實(shí)體單元solid187；根據(jù)椎間盤的力學(xué)特性，纖維環(huán)采用多孔彈性有限元模型，髓核采用8 節(jié)點(diǎn)彈性體來構(gòu)造。

2.2.2 韌帶模型建立

在Hypermesh 中，參考解剖學(xué)中人體胸椎韌帶的連接位置，以線彈性纜索beam188 單元連接韌帶的起止點(diǎn)；再根據(jù)韌帶形態(tài)設(shè)置線單元的橫截面積，完成韌帶的建立。 建立的韌帶有限元模型包括：前縱韌帶(ALL)、后縱韌帶(PLL)、黃韌帶(LF)和棘間韌帶(SSL)。 橫截面積依次設(shè)置為前縱韌帶6.1 mm、后縱韌帶5.4 mm、黃韌帶50.1 mm、棘間韌帶13.1 mm。

2.2.3 材料屬性

正確定義模型中各單元類型以及材料參數(shù)，模型才能做出較為真實(shí)的反應(yīng)以及力學(xué)特征，有限元分析才具有有效性。 本文結(jié)合文獻(xiàn)[7-9]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置模型的材料屬性，具體參數(shù)如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)[7-9]Table 1 Model material parameters[7-9]

2.2.4 裝配與約束

確定各部分模型間的連接及約束關(guān)系，將模型裝配成整體，要求被約束的2 個(gè)模型連接處不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 韌帶與其相連接的椎體間、椎體與椎間盤、纖維環(huán)與髓核、肋軟骨與肋骨、肋軟骨與胸骨之間均進(jìn)行了綁定約束。 考慮到真實(shí)過程中頭頸部的質(zhì)量對(duì)胸部力學(xué)響應(yīng)的影響，在第一節(jié)胸椎T1 上施加4 kg 的質(zhì)量。 裝配完成后的有限元模型如圖2 所示。

由于航天員在跳躍式返回過程中始終以平臥姿態(tài)固定在座椅上，不發(fā)生旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)，因此對(duì)模型整體的旋轉(zhuǎn)自由度進(jìn)行了約束。

圖2 完整有限元模型Fig.2 Complete finite element model

3 有限元模型的驗(yàn)證

由于胸部在受到胸背方向載荷擠壓時(shí)，肋骨發(fā)生了較大形變，使胸腔壓縮，因此肋骨是跳躍式返回過程中人體損傷的主要研究對(duì)象。 本文對(duì)模型的驗(yàn)證分為肋骨側(cè)彎實(shí)驗(yàn)以及胸部模型整體撞擊實(shí)驗(yàn)。

3.1 肋骨側(cè)彎實(shí)驗(yàn)

載人登月過程中，航天員胸部受到的載荷多是胸背向，因此本文采用Matthew 等所做的肋骨前后向側(cè)彎實(shí)驗(yàn)對(duì)肋骨模型進(jìn)行驗(yàn)證。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，選取第2 根左側(cè)肋骨進(jìn)行側(cè)彎仿真，其中表面層厚度設(shè)定為2 mm，材料模型為肋骨皮質(zhì)骨，肋骨內(nèi)部為肋骨松質(zhì)骨。 整個(gè)肋骨網(wǎng)格劃分后節(jié)點(diǎn)數(shù)為6808 個(gè)，單元數(shù)為4591個(gè)。 受力情況如圖3(a)所示，A 點(diǎn)設(shè)置為固定端，B 點(diǎn)施加荷載。

考慮到實(shí)驗(yàn)過程中組織變形較大，可能發(fā)生組織塑性破壞，采用各向同性雙線性彈塑性模型對(duì)組織彈塑性行為進(jìn)行描述，其中皮質(zhì)骨屈服應(yīng)力為88 MPa，松質(zhì)骨屈服應(yīng)力為2. 2 MPa。

圖3 肋骨三點(diǎn)側(cè)彎受力情況示意圖Fig.3 Schematic diagram of rib three-point lateral bending force

計(jì)算結(jié)果如圖3(b)、圖3(c)所示，由于肋骨整體不規(guī)則彎曲的特點(diǎn)，在沿AB 弦線方向荷載作用下，中間部位的彎矩較大，在中間部位應(yīng)力出現(xiàn)多處極值點(diǎn)。 選取圖3(a)中的受力點(diǎn)B，繪制其位移-支反力曲線，與Li 等相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，如圖4 所示。 實(shí)驗(yàn)中受試者為31 歲歐洲男性，本文中受試者為26 歲中等身材亞洲男性，骨骼大小和形態(tài)均存在差異，因此，數(shù)據(jù)值不能與實(shí)驗(yàn)完全吻合，但由圖4 可見，本文仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果整體趨勢(shì)一致。

圖4 肋骨B 點(diǎn)位移-支反力曲線Fig.4 Displacement-force curve at point B of the rib

3.2 胸部正面撞擊試驗(yàn)

選用Lobdell 等的尸體胸部正面碰撞經(jīng)典實(shí)驗(yàn)對(duì)整體胸部有限元模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。Lobdell 等共進(jìn)行38 組不同條件下的碰撞實(shí)驗(yàn)，涵蓋不同年齡及體型人體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 本文選取1 組與實(shí)驗(yàn)條件相近的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。

仿真模型如圖5 所示，模擬圓柱形沖擊器對(duì)人體胸部模型的第4 以及第5 根肋骨中央位置進(jìn)行撞擊，模型本身設(shè)定水平坐姿。 設(shè)定圓柱形沖擊器初始速度為6.7 m/s，圓柱形沖擊器直徑為15.24 cm，沖擊器材料定義為與實(shí)驗(yàn)一致的木質(zhì)材料，等效質(zhì)量為23.1819 kg，彈性模量為100 Mpa，碰撞能量為520.3110 J。 其中模型網(wǎng)格劃分后整體節(jié)點(diǎn)數(shù)為153 434 個(gè)，單元數(shù)為90 176個(gè)，計(jì)算中胸骨與沖擊器之間設(shè)定為光滑接觸模型。 考慮實(shí)驗(yàn)條件，在肋骨端部及靠背接觸處設(shè)定為固定約束，碰撞時(shí)間設(shè)定為60 ms。

圖5 胸部正面碰撞仿真Fig.5 Simulation of chest frontal collision

胸部模型的變形量云圖如圖6 所示，可見碰撞部位牽引著第4、5 根肋骨變形量最大，符合真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程。 圖7 為胸部變形量-碰撞力曲線圖，其中實(shí)驗(yàn)值為采集了多組尸體的碰撞數(shù)據(jù)，本文采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上限和下限的覆蓋區(qū)域與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。 圖中可見仿真曲線同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線發(fā)展趨勢(shì)一致，仿真數(shù)值絕大多數(shù)包含在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)。 仿真計(jì)算很好地復(fù)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過程，所建人體胸部骨骼及軟組織有限元模型的生物力學(xué)響應(yīng)有效，可用于跳躍式返回過程中的人體胸部骨骼及軟組織損傷情況的仿真計(jì)算。

4 跳躍式返回過程有限元仿真

4.1 加載條件

圖6 胸部模型變形量云圖Fig.6 Deformation cloud chart of chest model

圖7 胸部變形量-碰撞力對(duì)比圖Fig.7 Comparison chart of chest force-deformation

利用所建立的有限元模型對(duì)跳躍式返回過程中航天員胸部骨骼及軟組織的受加速度載荷過程進(jìn)行仿真分析。 典型跳躍式返回過程的飛船時(shí)間-加速度曲線如圖8 所示，該過程出現(xiàn)2 個(gè)過載峰值，人體若出現(xiàn)損傷，最嚴(yán)重時(shí)應(yīng)出現(xiàn)在峰值過載下，因此為了縮短計(jì)算時(shí)間，本文截取兩峰值各5 s的過載數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

圖8 典型探月飛船跳躍式返回時(shí)間-加速度曲線Fig.8 Time-acceleration curve of a typical lunar exploration spacecraft skip return

模型網(wǎng)格離散后節(jié)點(diǎn)數(shù)為231 516 個(gè)，單元數(shù)為156 545 個(gè)。 過載如圖9 中所示施加在y(胸背)方向，依據(jù)實(shí)際工況，分別在胸椎T12 下部設(shè)定固定約束，并定義在探月飛船返回地球的整個(gè)過程中，無重力場(chǎng)干擾，不設(shè)定重力加持。

圖9 仿真加載受力示意圖Fig.9 Schematic diagram of simulated loading force

4.2 仿真結(jié)果

4.2.1 骨骼應(yīng)力分析

骨骼最大應(yīng)力云圖如圖10 所示，其中圖10(a)和圖10(b)分別為過載第一峰值和第二峰值出現(xiàn)極值時(shí)的應(yīng)力云圖，圖中顯示骨骼模型均未破壞。

圖10 骨骼最大應(yīng)力云圖Fig.10 Maximum stress cloud of skeleton

第一峰值過程中的峰值加速度比第二峰值高，因此計(jì)算后模型的應(yīng)力值和位移值也更大。除去局部應(yīng)力集中造成的應(yīng)力極值，整體胸部模型的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在第1 肋骨、第4 肋骨和第5 肋骨(主要集中在胸骨中部)。 其中第1 肋骨后部不與靠背直接接觸，有較大的慣性力存在，另外胸骨柄上部與第1 肋骨連接，胸骨柄較大的慣性力使得第1 肋骨受到相對(duì)較大的拉力；而第4 肋骨和第5 肋骨較長，同時(shí)與胸骨柄相連，使得此部分應(yīng)力也較大，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在肋骨上，為24.92 MPa，小于Zioupos 等研究中所得的人體肋骨動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力值124.6±28.5 MPa，因此該過程不會(huì)發(fā)生骨折、骨裂等嚴(yán)重?fù)p傷，但是最大應(yīng)力的集中部位也是易發(fā)生輕微損傷部位，應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)。

4.2.2 椎間盤應(yīng)力分析

椎間盤應(yīng)力分布如圖11、12 所示，可以看出椎間盤在2 個(gè)加速度峰值時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力極值，最大值為6.48 MPa，出現(xiàn)在第一加速度峰值條件下，小于正常情況下人體椎間盤有效應(yīng)力體位最大值24.03 MPa，因此不會(huì)造成損傷。 其中胸2 ～3和胸3～4 椎間盤的應(yīng)力值明顯高于其他，觀測(cè)胸椎形態(tài)及荷載工況模型可以發(fā)現(xiàn)，此處胸椎彎曲程度較大，另外在靠背約束條件下，慣性力作用使得此處彎矩值較大，造成此處椎間盤應(yīng)力較大。

4.2.3 肋軟骨應(yīng)力分布

肋軟骨應(yīng)力分布如圖13 所示。 從圖中可以看出，肋軟骨在第一加速度峰值條件下的應(yīng)力峰值大于第二加速度峰值條件下的應(yīng)力峰值。 與胸骨體相連的第4 肋軟骨應(yīng)力相比其他肋軟骨應(yīng)力較大，觀測(cè)胸椎形態(tài)及加載條件可以發(fā)現(xiàn)，胸骨體在慣性力作用下，第4 肋骨處受到的拉力較大，造成此處應(yīng)力較大。

4.3 胸部損傷標(biāo)準(zhǔn)分析

跳躍式返回過程對(duì)人體胸部的損傷情況及損傷發(fā)生的概率需要結(jié)合損傷標(biāo)準(zhǔn)來判定。 本文采用的損傷標(biāo)準(zhǔn)包括胸腔壓縮量C、人體胸腹部損傷限制F 和簡明損傷定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)AIS。

4.3.1 胸腔壓縮量C

胸部壓縮量C 損傷指標(biāo)定義了軀干和肋骨的最大擠壓變形量，能直觀反應(yīng)胸部是否發(fā)生骨折。 圖14 為跳躍式返回過程第一峰值時(shí)段仿真計(jì)算所得的胸部壓縮量，最大值為22.68 mm，與允許壓縮量63 mm相比，仿真結(jié)果未超過最大胸部壓縮量許可值。

圖11 胸椎間盤時(shí)間-應(yīng)力曲線Fig.11 Stress-time curve of thoracic intervertebral disc

圖12 胸椎間盤應(yīng)力對(duì)比圖Fig.12 Comparison chart of thoracic disc stress

圖13 肋軟骨所受應(yīng)力對(duì)比圖Fig.13 Comparison of stress on costal cartilage

圖14 時(shí)間-胸部壓縮量C 曲線Fig.14 Curve of chest compression C with time

4.3.2 人體胸腹部損傷限制F

Brian 等對(duì)人體胸部壓縮量和所受到的載荷之間的關(guān)系做了實(shí)驗(yàn)探究，得到關(guān)系式： F ＝92.5 × C，其中人體胸腹部所受載荷F 的單位為N，胸部壓縮量C 的單位為mm。 根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算可得，跳躍式返回過程中人體人體胸腹部所受到 的 最 大 載 荷 值 為 2097.9 N。 參 考 軍 標(biāo)GJB6751—2009《人耐受高速氣流吹襲限值》中的人體胸腹部損傷載荷限值：損傷等級(jí)為微傷時(shí)，人體胸腹部載荷限制為5318.2 N。 計(jì)算所得最大載荷小于微傷限值，可見該過程并未造成明顯損傷。

4.3.3 AIS 損傷等級(jí)

目前，簡明損傷定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)AIS 在全球范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用于損傷預(yù)測(cè)和損傷等級(jí)評(píng)估。 AIS 對(duì)損傷等級(jí)的劃分及描述如表2 所示。

表2 AIS 損傷等級(jí)及描述[17]Table 2 AIS injury rating and description

表2 可見，AIS≥3 為較嚴(yán)重的損傷。 根據(jù)Viano 等的研究結(jié)果，AIS 3+損傷發(fā)生的概率與胸部變形量C′(最大壓縮量C/胸腔總厚度×100%)之間存在如圖15 所示的曲線關(guān)系。

圖15 胸腔變形量C′與損傷等級(jí)AIS 關(guān)系曲線[18]Fig.15 The relationship curve of injury grade AIS and chest compression C′[18]

該過程中胸腔最大變形量C′為9.73%，根據(jù)圖15 中的曲線擬合分析結(jié)果，AIS3+的損傷概率為7.56%，可見跳躍式返回過程中航天員胸部發(fā)生較嚴(yán)重?fù)p傷的概率較低。

5 結(jié)論

1)跳躍式返回過程與彈道式返回相比，可有效降低航天員所承受的過載，該過載條件下航天員胸部受到損傷的概率較小。 但第1、4、5 肋骨承載了較高應(yīng)力，在防護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意頭部及胸部的防護(hù)與固定；胸2 ～3、胸3 ～4 椎間盤所受的應(yīng)力明顯高與其他，因此航天員在日常訓(xùn)練時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)肩頸部肌肉的強(qiáng)化訓(xùn)練。

2)研究結(jié)果可為航天員保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供理論依據(jù)，從而最大限度地減輕航天員在跳躍式返回過程中受到的胸部傷害。

3)本文只建立了骨骼及相關(guān)軟組織模型，在今后的研究中，還可以建立心肺等內(nèi)臟組織，對(duì)跳躍式返回過程中人體內(nèi)臟過載情況以及血流動(dòng)力學(xué)做進(jìn)一步研究。