题目：飞行员人-椅背带约束系统动力学仿真及应用

在复杂的航空力学环境中，了解飞行员在约束系统作用下的动态响应对于预防飞行员冲击性损伤、提高飞行员对于飞行器的操纵工效以及改进约束系统的约束性能都有重要意义，而目前对于飞行员人-椅系统的研究主要是针对欧美人体体型，因此本文的主要工作是建立符合中国人体特征的飞行员人-椅背带约束系统数值仿真模型，并提供具体的应用方法，具体包含在以下三个方面：

(1）建立了符合中国人体特征的飞行员人-椅背带约束系统有限元模型

本文建立了不同类型的飞行员人-椅约束系统有限元模型，这些模型均由假人、弹射座椅和约束系统三部分组成。其中假人模型分别符合中国飞行员第97百分位和第3百分位身体尺寸大小。假人为由头、颈、上半身、下半身、上臂、前臂16节段组成的多刚体铰链模型，该假人模型的各节段的质量、质心位置、转动惯量以及各关节的刚度、摩擦、阻尼等力学参数均符合人体生物力学特征。接着按照两种不同大小的假人模型分别建立了军机座舱模型，并对假人和座椅模型进行了装配，使得假人保持正常驾驶的姿势。然后对按照假人的身体尺寸建立了常见的三种约束系统模型，分别为R-2型、E型以及A型，同时对不同的织带力学特征进行了实验研究，从而获得了动力学仿真中所需要的救生伞背带的材料力学参数。接下来介绍了人-椅约束系统模型的背带收紧和重力加载两种预载荷的详细过程。最后通过与公开发表的人-椅动力学试验数据进行对比，从而对所建立的人-椅模型的有效性进行了验证。

（2）人-椅背带约束模型动力学仿真研究

本章分四个不同的方面对上一章所建立的人-椅系统模型的应用进行了介绍。第一部分内容为约束系统性能的参数化研究，在此研究中以国际上广为使用的PCU-15/P背带为研究对象，分别研究了材料特征（刚度和摩擦）和预紧力这些因素对其约束性能的影响。研究结果表明， 较对另两个方向的冲击而言，在侧向冲击条件下PCU-15/P背带的约束性能最差。背带和飞行员之间的摩擦系数对于背带约束能力的影响较小。PCU-15/P背带约束性能随着织带的刚度以及预紧力的增大而减少，但这种影响随着这两种参数的增大而逐渐减弱。相对于腰带上的预紧，肩带的预紧对该PCU-15/P约束系统的影响更为显著，而肩带和腰带上60N的预紧力对于一般机动飞行环境下的飞行员来说较为合适。

第二部分是关于座舱及座椅设计如何影响飞行员操控工效的研究。在此研究中定量分析了30°、17°两种椅背角以及中央、侧位两种驾驶杆对于飞行员手部动力学响应的影响。研究结果表明，椅背角和驾驶杆位置均对飞行员手部惯性力产生影响，较小的椅背角以及侧位驾驶杆均能使飞行员手部产生较小的惯性力。因此，在机动飞行过程中侧位操纵杆和较小的椅背角结合有利于飞行员获得较好的操控工效，从而减小安全隐患。

在本章中第三部分，我们对紧急弹射状态的人-椅系统动力学响应进行了研究，我们发现在弹射冲击的作用下人体躯干会产生明显的前屈和压缩效应，该效应可能是造成飞行员弹射脊柱损伤的直接原因。而由于脊柱压缩变形所使得肩带的松散会增大上半身前屈的趋势。相对于正常坐姿而言，飞行员在弹射前的松散坐姿会使得胸部产生更多的前屈，而使得臀部产生更多的后倾，这些都会增加脊柱的损伤风险。

在第四部分对于舰载机着陆过程的仿真研究中，我们发现了R-2的背带设计对于束缚人体臀部的效果较差，尤其是对于小个子飞行员，不但会使其产生较大的身体晃动，而且会得其手部产生较大的惯性冲击力。在舰载机着舰时，飞行员手部会产生大于300N的冲击力峰值，因此需要一些改进措施来减少这种冲击影响。例如增加手臂的肌肉锻炼以加强冲击环境中的手部控制能力，或者增加类似于拉环或者挡板的装置以彻底摆脱对控制杆的负面影响。相比于速度，加速度方式在舰载机着舰时可以较早地触发约束系统锁止条件，而且人体动力学响应对于加速度锁止条件更加敏感，舰载机着舰时建议加速度锁止参数为1.5g。

（3）脊柱有限元模型在弹射损伤研究中的应用

本研究建立了高精度胸腰椎（T9-S1）有限元模型，并对弹射冲击下的飞行员躯干以及脊柱结构的动力学响应进行了研究。这两种模型的结合被证实非常适合对约束系统作用下的交通工具乘员（如汽车、飞行器等）进行动力学研究。在正常坐姿下，弹射冲击会引起椎体前缘以及下腰椎椎弓处产生较大的应力，而在松散坐姿下，则高应力区下移，且主要集中于下腰椎椎体前缘，这提示不同坐姿可能会产生不同的椎体骨折位置。而终板上的高应力区则主要集中于中央区域，这也是弹射有可能产生椎体压缩性骨折的原因。相对于正常坐姿来说，松散坐姿会导致胸腰椎终板以及皮质骨上应力以及椎间盘内压均会明显的增大。因此，以这种坐姿为初始条件的弹射会导致更高的脊柱损伤风险。