基于Ansys 的載人登月跳躍式返回過程中人體胸部骨骼系統損傷分析

包佳儀，周前祥，姚永杰，郭 攀，程 楊

(1. 北京航空航天大學生物與醫學工程學院， 北京100191； 2. 北京航空航天大學生物醫學工程高精尖創新中心， 北京100191； 3. 海軍特色醫學中心， 上海210000； 4. 鄭州大學力學與安全工程學院， 鄭州450001)

1 引言

探月飛船返回地球時，飛船進入大氣層前具有第二宇宙速度，傳統彈道式返回產生的過載可達到17g。 為了降低過載、熱流以及動壓峰值，防止過載超過航天員的承受極限而對生命造成威脅，飛船以較小的再入角進入大氣層，依靠升力跳出大氣層，此時航天器已經降到了第一宇宙速度之下，做一段彈道式飛行后再次進入大氣層，這種返回方式稱為跳躍式返回。 對比傳統彈道式返回，跳躍式返回會出現多個峰值，但過載峰值相對較小，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鍵技術。

探月飛船的加速度對人體的影響一直受到美、俄等國的關注，NASA 公布的重返月球計劃也對飛船返回著陸進行了系統研究。 跳躍式返回過程中，航天員會受到較大的持續性向前加速度(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。 國內外學者對于高過載加速度對人體的影響均做過大量的實驗，包括動物實驗、志愿者離心機實驗以及志愿者火箭滑車實驗等。 Little 等研究表明，當施加胸背向5g、7g 以及9g 加速度載荷時，志愿者會出現運動能力下降，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，生理指標不斷下滑，當載荷升高至10g 以上，人體會出現胸部疼痛、呼吸困難以及咯血等癥狀。 由于實驗危險性過高，尚無法完全按照跳躍式返回過程中的過載及時間來模擬實驗，且離心機實驗也與真實返回情況存在一定差異，該過程對人體的影響究竟達到什么程度，身體哪個部位最易發生損傷，以及如何防護等問題尚有待進一步研究。

本文采用有限元建模與仿真的方法來計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力應變分布情況，并結合損傷判定準則分析是否會造成胸部骨骼及軟組織損傷以及損傷發生概率。

2 有限元模型的建立

根據人體解剖學結構和生物力學關系，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

根據中國男性航天員的人體參數，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 圖像導入到Mimics 軟件中，設置骨骼的灰度閾值，逐張對骨骼模型進行分割，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，完成對肋軟骨模型的建立，模型效果對比如圖1 所示；其次將模型依次導入RapidformXOR3 中進行光滑處理；利用Geomagic Studio 軟件對幾何模型的曲面進行平滑和修復，建立曲面格柵；最后擬合并構造Nurs 曲面。

圖1 肋軟骨模型效果對比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、布爾運算等功能形成椎間盤，將椎間盤按質心縮小50%，抽殼后切割，形成髓核和纖維環。 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力集中問題。

2.2 有限元模型的建立

2.2.1 網格劃分

將曲面模型導入到Hypermesh 及Ansys 軟件中進行網格劃分和質量檢測。 由于生物體形態不規則，且骨骼表面大角度曲面變化較多，采用四面體網格；設置最小角度為30°，最大角度為120°；網格單元最小為0.6 mm，最大為1 mm；骨骼模型劃分為皮質骨和松質骨，皮質骨采用1.5 mm 厚的shell181 單元，松質骨和肋軟骨均采用實體單元solid187；根據椎間盤的力學特性，纖維環采用多孔彈性有限元模型，髓核采用8 節點彈性體來構造。

2.2.2 韌帶模型建立

在Hypermesh 中，參考解剖學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；再根據韌帶形態設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，模型才能做出較為真實的反應以及力學特征，有限元分析才具有有效性。 本文結合文獻[7-9]中的實驗數據設置模型的材料屬性，具體參數如表1所示。

表1 模型材料參數[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系，將模型裝配成整體，要求被約束的2 個模型連接處不發生相對運動。 韌帶與其相連接的椎體間、椎體與椎間盤、纖維環與髓核、肋軟骨與肋骨、肋軟骨與胸骨之間均進行了綁定約束。 考慮到真實過程中頭頸部的質量對胸部力學響應的影響，在第一節胸椎T1 上施加4 kg 的質量。 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固定在座椅上，不發生旋轉和擺動，因此對模型整體的旋轉自由度進行了約束。

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

3 有限元模型的驗證

由于胸部在受到胸背方向載荷擠壓時，肋骨發生了較大形變，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象。 本文對模型的驗證分為肋骨側彎實驗以及胸部模型整體撞擊實驗。

3.1 肋骨側彎實驗

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彎實驗對肋骨模型進行驗證。

根據實驗條件，選取第2 根左側肋骨進行側彎仿真，其中表面層厚度設定為2 mm，材料模型為肋骨皮質骨，肋骨內部為肋骨松質骨。 整個肋骨網格劃分后節點數為6808 個，單元數為4591個。 受力情況如圖3(a)所示，A 點設置為固定端，B 點施加荷載。

考慮到實驗過程中組織變形較大，可能發生組織塑性破壞，采用各向同性雙線性彈塑性模型對組織彈塑性行為進行描述，其中皮質骨屈服應力為88 MPa，松質骨屈服應力為2. 2 MPa。

圖3 肋骨三點側彎受力情況示意圖Fig.3 Schematic diagram of rib three-point lateral bending force

計算結果如圖3(b)、圖3(c)所示，由于肋骨整體不規則彎曲的特點，在沿AB 弦線方向荷載作用下，中間部位的彎矩較大，在中間部位應力出現多處極值點。 選取圖3(a)中的受力點B，繪制其位移-支反力曲線，與Li 等相關實驗對比，如圖4 所示。 實驗中受試者為31 歲歐洲男性，本文中受試者為26 歲中等身材亞洲男性，骨骼大小和形態均存在差異，因此，數據值不能與實驗完全吻合，但由圖4 可見，本文仿真結果與實驗結果整體趨勢一致。

圖4 肋骨B 點位移-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

選用Lobdell 等的尸體胸部正面碰撞經典實驗對整體胸部有限元模型的有效性進行驗證。Lobdell 等共進行38 組不同條件下的碰撞實驗，涵蓋不同年齡及體型人體的實驗數據。 本文選取1 組與實驗條件相近的數據進行仿真。

仿真模型如圖5 所示，模擬圓柱形沖擊器對人體胸部模型的第4 以及第5 根肋骨中央位置進行撞擊，模型本身設定水平坐姿。 設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驗一致的木質材料，等效質量為23.1819 kg，彈性模量為100 Mpa，碰撞能量為520.3110 J。 其中模型網格劃分后整體節點數為153 434 個，單元數為90 176個，計算中胸骨與沖擊器之間設定為光滑接觸模型。 考慮實驗條件，在肋骨端部及靠背接觸處設定為固定約束，碰撞時間設定為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，符合真實實驗過程。 圖7 為胸部變形量-碰撞力曲線圖，其中實驗值為采集了多組尸體的碰撞數據，本文采用實驗數據上限和下限的覆蓋區域與仿真數據進行對比。 圖中可見仿真曲線同實驗數據曲線發展趨勢一致，仿真數值絕大多數包含在實驗數據范圍之內。 仿真計算很好地復現了實驗過程，所建人體胸部骨骼及軟組織有限元模型的生物力學響應有效，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-碰撞力對比圖Fig.7 Comparison chart of chest force-deformation

利用所建立的有限元模型對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行仿真分析。 典型跳躍式返回過程的飛船時間-加速度曲線如圖8 所示，該過程出現2 個過載峰值，人體若出現損傷，最嚴重時應出現在峰值過載下，因此為了縮短計算時間，本文截取兩峰值各5 s的過載數據進行計算。

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

模型網格離散后節點數為231 516 個，單元數為156 545 個。 過載如圖9 中所示施加在y(胸背)方向，依據實際工況，分別在胸椎T12 下部設定固定約束，并定義在探月飛船返回地球的整個過程中，無重力場干擾，不設定重力加持。

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

4.2 仿真結果

4.2.1 骨骼應力分析

骨骼最大應力云圖如圖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極值時的應力云圖，圖中顯示骨骼模型均未破壞。

圖10 骨骼最大應力云圖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，因此計算后模型的應力值和位移值也更大。除去局部應力集中造成的應力極值，整體胸部模型的最大應力值出現在第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 肋骨受到相對較大的拉力；而第4 肋骨和第5 肋骨較長，同時與胸骨柄相連，使得此部分應力也較大，最大應力值出現在肋骨上，為24.92 MPa，小于Zioupos 等研究中所得的人體肋骨動態屈服應力值124.6±28.5 MPa，因此該過程不會發生骨折、骨裂等嚴重損傷，但是最大應力的集中部位也是易發生輕微損傷部位，應加強防護。

4.2.2 椎間盤應力分析

椎間盤應力分布如圖11、12 所示，可以看出椎間盤在2 個加速度峰值時出現應力極值，最大值為6.48 MPa，出現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力體位最大值24.03 MPa，因此不會造成損傷。 其中胸2 ～3和胸3～4 椎間盤的應力值明顯高于其他，觀測胸椎形態及荷載工況模型可以發現，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，造成此處椎間盤應力較大。

4.2.3 肋軟骨應力分布

肋軟骨應力分布如圖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力峰值大于第二加速度峰值條件下的應力峰值。 與胸骨體相連的第4 肋軟骨應力相比其他肋軟骨應力較大，觀測胸椎形態及加載條件可以發現，胸骨體在慣性力作用下，第4 肋骨處受到的拉力較大，造成此處應力較大。

4.3 胸部損傷標準分析

跳躍式返回過程對人體胸部的損傷情況及損傷發生的概率需要結合損傷標準來判定。 本文采用的損傷標準包括胸腔壓縮量C、人體胸腹部損傷限制F 和簡明損傷定級標準AIS。

4.3.1 胸腔壓縮量C

胸部壓縮量C 損傷指標定義了軀干和肋骨的最大擠壓變形量，能直觀反應胸部是否發生骨折。 圖14 為跳躍式返回過程第一峰值時段仿真計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，仿真結果未超過最大胸部壓縮量許可值。

圖11 胸椎間盤時間-應力曲線Fig.11 Stress-time curve of thoracic intervertebral disc

圖12 胸椎間盤應力對比圖Fig.12 Comparison chart of thoracic disc stress

圖13 肋軟骨所受應力對比圖Fig.13 Comparison of stress on costal cartilage

圖14 時間-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 等對人體胸部壓縮量和所受到的載荷之間的關系做了實驗探究，得到關系式： 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。 根據仿真結果計算可得，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：損傷等級為微傷時，人體胸腹部載荷限制為5318.2 N。 計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

目前，簡明損傷定級標準AIS 在全球范圍內被廣泛應用于損傷預測和損傷等級評估。 AIS 對損傷等級的劃分及描述如表2 所示。

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

表2 可見，AIS≥3 為較嚴重的損傷。 根據Viano 等的研究結果，AIS 3+損傷發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 所示的曲線關系。

圖15 胸腔變形量C′與損傷等級AIS 關系曲線[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%，根據圖15 中的曲線擬合分析結果，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生較嚴重損傷的概率較低。

5 結論

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 肋骨承載了較高應力，在防護設計中應注意頭部及胸部的防護與固定；胸2 ～3、胸3 ～4 椎間盤所受的應力明顯高與其他，因此航天員在日常訓練時，應加強肩頸部肌肉的強化訓練。

2)研究結果可為航天員保護裝置的設計與改進提供理論依據，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軟組織模型，在今后的研究中，還可以建立心肺等內臟組織，對跳躍式返回過程中人體內臟過載情況以及血流動力學做進一步研究。