基于ABAQUS的双层坐垫在弹射工况下的脊柱损伤风险评估

doi:10.12307/2026.459

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (32): 8471-8478.doi: 10.12307/2026.459

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基于ABAQUS的双层坐垫在弹射工况下的脊柱损伤风险评估

闫瑾1，徐梦真1，包佳仪2

1中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院，北京市 100083；2北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京市 100191

接受日期:2026-02-06 出版日期:2026-11-18 发布日期:2026-04-28
通讯作者: 包佳仪，博士，助理教授，北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京市 100191
作者简介:闫瑾，女，1998年生，山东省济宁市人，汉族，硕士，主要从事航空人因工程研究。
基金资助:
国家自然科学基金青年基金项目(12202035)，项目负责人：包佳仪

Spinal injury risk assessment of a double-layer cushion for ejection seats based on ABAQUS

Yan Jin1, Xu Mengzhen1, Bao Jiayi2

1School of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China; 2School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China

Accepted:2026-02-06 Online:2026-11-18 Published:2026-04-28
Contact: Bao Jiayi, PhD, Assistant professor, School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China
About author:Yan Jin, MS, School of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China
Supported by:
National Natural Science Foundation of China (Youth Science Fund), No. 12202035 (to BJY)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
动态响应指数：用于评估人体对向上弹射的耐受能力。动态响应指数以弹射时人体脊柱承受的最大加速度与重力加速度的比值作为计算标准，通过仿真假人不同部位过载传感器采集数据。
有限元仿真：是一种数值计算方法，通过将连续的物理问题离散化为有限数量的单元和节点，构建代数方程组并求解，从而获得近似解，被广泛应用于结构力学、热传导、流体动力学、电磁学等工程与科学领域。

背景：人体在弹射逃生时承受的巨大冲击加速度是导致脊柱损伤的主要风险，因此，优化弹射座椅坐垫的缓冲吸能设计对于保障飞行员生命安全具有关键作用。
目的：构建基于 ABAQUS的人-椅垫耦合有限元模型，量化评估兼具高回弹与慢回弹优势的双层坐垫在弹射工况下对腰椎生物力学响应与脊柱损伤风险的影响，量化其安全裕度。
方法：选取1名男性飞行员志愿者的全脊柱及腿部CT影像数据，完成三维解剖重建、几何修复与有限元网格划分，构建包含全脊柱、骨盆、双股骨及皮肤软组织的高生物保真度人体数字模型，建立双层坐垫几何模型。在ABAQUS中组装人-椅系统耦合模型并施加弹射加速度时程开展动力学仿真，比较高回弹坐垫与双层坐垫两方案下L4-L5与L5-S1椎间盘的应力响应，同时结合脊柱损伤风险动态响应指数对损伤概率进行预测。
结果与结论：仿真结果与实测数据的一致性良好，有效验证了模型的准确性。性能对比分析表明，相较于传统高回弹坐垫，双层坐垫在弹射冲击下降低了L4-L5与L5-S1椎间盘的峰值应力，动态响应指数降低了1.8%，脊柱损伤概率降低了10.6%，在满足相关限值的前提下，提供了更高的安全裕度，可有效降低人体在弹射冲击载荷下脊柱损伤的风险。
https://orcid.org/0009-0003-6478-5214 (闫瑾)；https://orcid.org/0009-0004-4397-8700 (包佳仪)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

关键词: 生物力学, 弹射座椅, 骨骼建模, 有限元仿真, 损伤风险评估, 动态响应指数

Abstract: BACKGROUND: The enormous impact acceleration experienced by the human body during ejection is a major risk factor for spinal injury. Therefore, optimizing the cushioning and energy absorption design of ejection seat cushions is crucial for ensuring the safety of pilots.
OBJECTIVE: To construct a human-seat cushion coupled finite element model based on ABAQUS to quantitatively evaluate the impact of a double-layer cushion, which combines the advantages of high and slow rebound, on lumbar spine biomechanical response and spinal injury risk under ejection conditions, and to quantify its safety margin.
METHODS: CT imaging data of the entire spine and legs from one male pilot volunteer were selected. Three-dimensional anatomical reconstruction, geometric repair, and finite element meshing were completed to construct a highly biologically faithful digital human model encompassing the entire spine, pelvis, both femurs, and skin soft tissues. A geometric model of the dual-layer seat cushion was also established. Subsequently, a human-chair system coupled model was assembled in ABAQUS. Dynamic simulations were conducted by applying an ejection acceleration time history. Stress responses in the L4–L5 and L5–S1 intervertebral discs were compared between the high-resilience and dual-layer cushion designs. Injury probability was predicted using the Spinal Injury Risk Dynamic Response Index.
RESULTS AND CONCLUSION: The simulation results demonstrated good consistency with actual measurement data, effectively validating the model's accuracy. Performance comparison analysis indicated that, compared with conventional seat cushions, the dual-layer cushion reduced peak stresses in the L4–L5 and L5–S1 intervertebral discs during ejection impact. This solution reduces the dynamic response index by 1.8%, lowering the predicted probability of spinal injury by 10.6%. While meeting relevant limits, it provides a higher safety margin and can effectively reduce the risk of spinal injury to the human body under ejection impact loads.

Key words: biomechanics, ejection seat, skeletal modeling, finite element simulation, injury risk assessment, dynamic response index

中图分类号:

闫瑾, 徐梦真, 包佳仪. 基于ABAQUS的双层坐垫在弹射工况下的脊柱损伤风险评估[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(32): 8471-8478.

Yan Jin, Xu Mengzhen, Bao Jiayi. Spinal injury risk assessment of a double-layer cushion for ejection seats based on ABAQUS[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(32): 8471-8478.

图/表（结果） 7

2.1 加载条件及计算过程分别对高回弹坐垫和双层坐垫的人-椅垫系统模型进行弹射过程仿真，仿真过程中模型约束条件同样使用实际静态乘坐工况，载荷施加在坐垫下表面，沿坐垫向上传递至人体。由于过载曲线来自弹射实验时座椅的加速度时间曲线[31-32]，该曲线已考虑重力场效应的影响，因此仿真中不额外添加重力场。弹射加速度时间曲线如图13所示，仿真时间为185 ms，最大加速为15.2 g。

2.2 仿真结果分析仿真结果表明，在弹射过程中，骨骼及主要韧带未出现显著的应力冲击，最大应力主要集中于L4-L5与L5-S1椎间盘的纤维环外侧区。如图14所示，相比高回弹坐垫，双层坐垫可显著降低椎间盘最大应力：L4-L5椎间盘的最大应力从17.6 MPa 降至15.3 MPa，下降率为13.07%；L5-S1椎间盘的最大应力从17.3 MPa 降至14.8 MPa，下降率为 14.45%。为直观展示界面受力分布，图15给出了高回弹坐垫在相同载荷与接触口径下的应力云图，峰值位于坐骨结节投影区域；与之对应，双层坐垫在相同工况下的峰值更低、梯度更平缓，表明双层坐垫在冲击载荷作用下具有更优的缓冲与载荷扩散能力。
在弹射过程中，冲击载荷自座椅向人体传递，并经骨盆逐级向脊柱上传导。鉴于椎间盘兼具连接与缓冲功能，L5-S1节段首先受载，其后为L4-L5节段，应力随节段向上逐步衰减；同时由于L4-L5的解剖外突程度更高，更易发生挤压变形，该规律与临床统计中该节段发病率较高的现象一致。参考李建军等[33]对新鲜尸体的研究结果可知，L4-L5椎间盘可承受约19.4 MPa的最大压应力，据此，此次研究两种坐垫在弹射工况下得到的椎间盘应力均低于该阈值，说明均处于安全范围内，并进一步验证了双层坐垫在冲击载荷作用下的缓冲与防护有效性。

2.3 模型验证结果采用已获取的坐压分布实测数据作为校核基准，试验以双层坐垫为实验组、现役高回弹坐垫为对照组，采集坐压分布并计算最大和平均坐压等指标。为与数值模型对齐，仅选取最大坐压作为对比指标，并按与传感区域一致的有效接触面上从有限元模型提取接触压力峰值。对比时，对实测数据进行稳态截取与单位统一，对仿真结果在相同区域与载荷水平下提取峰值。
高回弹坐垫的最大坐压实验测得值为8.0 kPa，仿真计算值为8.4 kPa，误差率为5.0%；双层坐垫的最大坐压实验测得值为6.7 kPa，仿真计算值为7.1 kPa，误差率5.9%。误差均在可接受范围内，实验与仿真计算结果对比分析如图16所示，表明所建立的有限元模型能够准确模拟坐垫的受力特性，仿真结果具有较高的可信度。

2.4 损伤情况预测结果为评估弹射过程中人体脊柱的损伤风险，此次研究采用脊柱损伤风险动态响应指数(Dynamic
Response Index，DRI)作为判断标准。DRI指数是前人根据宝贵的实验结果总结分析所得，可用于评估脊柱在冲击载荷下的损伤风险，计算简易公式(1)所示[34-35]，式中δmax是脊柱的最大变形量，最大变形与人体对冲击加速度的耐受极限有关。
如图17所示，脊柱损伤概率P (injury) 随着DRI值的增大而升高，计算公式如式(2)所示[31]。
弹射座椅的安全性评估需遵循相关标准，根据国标GJB 1282-91《人体向上弹射加速度耐受耐限》的规定，DRI是衡量脊柱损伤风险的关键量化指标，其限值在低温与高温环境下分别为18和22，因此，在缓冲系统优化设计中将DRI值尽可能降低是提升飞行员安全裕度的核心目标。此次研究的仿真结果显示，两种坐垫方案的DRI值均在国标限值以内，满足基本安全要求，但它们的防护性能存在明显差异：采用传统高回弹坐垫时，乘员DRI值为15.70，对应的脊柱损伤概率为0.94%；而换用双层坐垫后，DRI值降低至15.42，脊柱损伤概率也相应下降至0.84%。相较而言，双层坐垫使DRI值降低了1.8%，脊柱损伤概率则降低了10.6%。这一结果表明，双层坐垫具备更优越的缓冲特性与能量吸收能力，能够在高动态冲击环境下为飞行员提供更强的脊柱保护，展现出更高的整体安全性与防护性能。

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引言

弹射座椅是飞行员在紧急情况下逃生的关键保障系统，其安全性直接关系到飞行员的生命安全[1-3]。在弹射过程中，座椅受到高强度瞬态冲击载荷作用，人体承受剧烈的垂直加速度冲击，尤其是脊柱部位极易遭受压缩性损伤[4-5]。因此，提高弹射座椅的缓冲性能，优化座椅坐垫结构以降低冲击载荷对人体的损伤风险，已成为当前航空安全领域的重要研究方向[6]。
由于真实弹射实验条件稀缺，学界更多采取数值仿真的方法开展安全性验证与机制分析。早期的人体模型普遍将骨骼近似刚体且忽略软组织连接，导致生物保真度受限。近年来，ZHENG等[7]利用多体系统动力学理论建立了人体脊柱动力学模型，包括人体头部至骨盆的骨骼模型，利用真人坐姿冲击实验结果对模型进行了验证，获得了腰椎间盘关节刚度系数因子和阻尼系数因子。LOW等[8]提出基于多体系统的脊柱损伤预测模型，用同一具尸体的CT参数构建颅骨-腰骶段结构，并以弹簧–阻尼表征椎间力学特性，相比早期的刚体化模型兼顾了计算效率与生物保真度。MARTINS等[9]开发了多种数值模型，通过将仿真结果与实验测量对比来评估其精度，研究结果表明有限元模型可应用于飞机座椅耐撞性的安全评估工作。韩冰等[10]建立了冲击试验方案，通过DYTRAN软件构建数值分析模型，对弹射座椅在冲击载荷下的动态响应进行仿真，研究结果可用于弹射座椅冲击特性的研究与优化。XIAO等[11]等建立了在垂直冲击条件下的人坐姿状态-弹射座椅生物动力学模型，研究了不同冲击强度下头部、颈部和脊柱的损伤风险。VOLETI等[12]模拟了飞行员弹射过程中座椅-假人系统在多种力作用下的响应，重点分析颈部和脊柱的运动及受伤风险，通过流体-结构相互作用模型和实验数据验证，提高了弹射过程物理模拟的精确性。杨海峰等[13]建立了精细有限元模型分析了座椅关键组件厚度、滑块布置形式及限腿带力对弹射座椅出舱稳定性的影响，为高稳定性弹射座椅的设计提供了理论支持。黄可义等[14]建立了考虑人椅系统动态质量特性的计算模型，通过对比分析动态与静态质量特性模型的救生效果，为弹射座椅控制规律的精细化设计提供了理论支持。谭跃东[15]基于战斗机常用弹射座椅建立了弹射座椅-假人仿真模型，验证了该模型对弹射出舱过程的准确模拟，随后进行了稳定性敏感因素分析，并通过正交实验优化设计提高了系统的出舱稳定性，为弹射座椅的稳定性优化提供了重要参考。
为补足“人群差异-载荷构型-伤害判据”的链条，SHI等[16]引入了符合中国飞行员体征的数字人体，对弹射座椅操纵机构的布局进行了舒适性仿真与优化。尽管人体肌骨系统的有限元模型的精细化程度不断提高，相关研究仍主要集中在汽车碰撞情景，对飞机弹射座椅环境下的人体生物力学响应研究较为有限。李先学[17]建立了包含脊柱及臀腿的精细化人体模型，仿真多种坐垫弹射工况下人体生物力学响应，并验证了慢回弹海绵在缓冲保护方面的优越性，具有一定的参考价值，但该研究的坐垫简化为矩形结构，与真实座椅在厚度与构型上存在差异，影响工程适用性。WANG等[18]利用多体模型证明不同体型会显著改变车辆碰撞中的头部损伤结果，提示弹射情境的人-椅仿真需显式纳入目标人群体征参数。QIU等[19]基于THUMS AM50构建了车辆-座椅-乘员耦合有限元系统，并施加不同强度的正面碰撞脉冲，研究表明碰撞后能量吸收的程度与乘员年龄直接相关，这一发现同样揭示了弹射座椅等高加速度冲击环境下的仿真分析必须考虑个体生理特征的重要性。ZHENG等[20]以头盔-头模型跌落冲击为例，系统评估了多源载荷构型对损伤的影响，并建立运动学响应与组织级损伤之间的定量关联，提升了仿真预测的有效性。在人体动力学建模方面，XIAO等[11]通过力反演与全局敏感性分析指出，靠背角度等设计参数对垂直冲击损伤具有决定性作用，LI 等[21]基于混合假人-高保真头颈有限元模型发现，颈肌激活可降低头部动力学响应并在低速冲击下对颈部具有保护效应，为飞机弹射等情境下头颈与脊柱伤害的建模研究提供了思路。SOMASUNDARAM等[22]将更新版GHBMC模型与复杂人尸体冲击试验进行对比验证，既在宏观动力学响应层面体现出较高生物保真度，又准确复现胸腰椎损伤位置，为乘员伤害评估提供了可靠的数值工具。VOLETI等[12]针对飞机座椅弹射过程中的乘员损伤评估研究，开发了一种结合有限元与多体动力学的混合仿真方法。MENON等[23]开发并验证了一种用于GHBMC的贝叶斯信息准则后处理工具，通过与103例真实飞行员弹射损伤数据对比证实其损伤概率预测的可信度，为仿真结果的量化解读提供依据。
综上所述，既往弹射座椅的安全性研究工作多聚焦座椅或坐垫本体的力学响应，对人体脊柱生物力学特性的系统耦合与个体化差异刻画仍不足。作者前期研究主要聚焦长航时任务条件下的乘坐舒适性与基础安全表现，系统分析了影响因素并研制了一种结合高回弹与慢回弹优势的双层工效坐垫，该坐垫在试验工况中表现出较优的压力分布与主观舒适改进，并且从材料-结构机制上具有兼顾舒适与缓冲防护的理论潜力，目前尚缺乏对该坐垫在弹射过程中的安全性验证工作[24-25]。为此，该文在既有工作基础上，建立了符合中国弹射座椅与飞行员的精细化人椅系统模型，基于试验标定的材料本构在 ABAQUS中开展弹射过程仿真，并以实测坐压数据对模型进行校核，进而对比评估双层坐垫在冲击载荷下的生物力学响应与安全性表现，以形成一套可用于弹射工况的安全性验证方法并为座椅改进与新型设计提供依据。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计材料的制备与表征实验，有限元分析。试验流程见图1。

1.2 时间及地点试验于2025年1-2月在北京航空航天大学及解放军总医院第一附属医院(304医院)完成。
1.3 材料
1.3.1 数据获取坐姿体压分布是指人体坐于座椅上，在靠背以及坐垫的接触面上所产生的压力及压力分布情况，该文选用最大压力、平均压力、接触面积和座压分布百分比(SPD%)作为坐压分析的评价指标，结合主客观评价数据分析、被试的反馈意见以及弹射座椅适用性考虑后，使用洛阳某化工研究院提供的一组高回弹和3组不同硬度的慢回弹坐垫继续进行材料性能检测，分别编号为：N1号高回弹材料、N2号慢回弹材料(高硬度)、N3号慢回弹材料(中硬度)、N4号慢回弹材料(低硬度)。
首先，对压力分布测量系统采集的数据进行预处理：去除不稳定的帧，以消除测量开始和结束时被试轻微移动引起的误差；再通过划定采样区域，清除因压力垫边缘变形造成的无用数据，如图2所示；从软件中获得平均压力、最大压力和接触面积，随后将预处理后的影片导出为包含180帧的数据表，每帧包含一个32×32的矩阵，记录每个传感器的压力，座压分布百分比(SPD%)依据该数据表导入Matlab 2019软件中计算获得。
各坐垫的坐压数据如图3所示，由云图可知N3号样品在乘坐时压力分布更均匀，坐骨结节处应力最小，具有最佳舒适性。

1.3.2 材料基于已取得的试验成果，此次研究确定了以高回弹为底层提供支持力、慢回弹为表层改善人椅界面压力分布的双层坐垫结构设计思路[24]。弹射座椅坐垫的主体部分厚度限制为30 mm，不同的层厚配比对坐垫的压陷硬度、支持力和舒适性有显著影响。坐垫的支持力随高回弹层厚度的增加而提高，而压陷率(坐垫在固定压力下的形变比率)和稳定用时与慢回弹层的厚度直接相关。作者在既往研究中已进行相关试验，得出慢回弹表层与高回弹底层的厚度配比为2∶1时坐垫具有最佳舒适性的结论[24-25]，因此采纳该方案制作实物。
双层坐垫的主要制作过程如下：采用成品切割再粘贴的方式制作样件，弹射座椅坐垫设计采用贴合椅盆的二面角底部结构(中央弯折10°)和人体臀腿部曲面的上表面，完成制作的双层结构坐垫样件如图4所示。

试验使用美国 MTS公司的万能力学试验机直接对坐垫进行压缩测试，采用GB/T 10807-2006标准压陷法测定坐垫硬度，压头测量精度为±1 N。依据乘坐状态下坐骨结节区域的实测峰值面压1.88 N/cm²，取安全系数后将参考面压设定为2 N/cm²；结合直径150 mm 的压头接触面积176.7 cm²，折算得到目标加载力353.25 N。试验以100 mm/min 的加载速率施加载荷至目标力值并保持稳定，记录应力-应变曲线、滞回曲线和最大压陷量，用以评价坐垫的静态刚度和回弹性能。
坐垫的热舒适性可通过合理选择罩面材料进行有效调节，为使慢回弹材料更好地发挥功效，此次研究要求罩面具备良好的透气散热功能和延展性。综合考虑材料性能及制造可行性的基础上，选用柔软透气且高弹性的玉米绒合成纤维作为坐垫罩面材料，最终优化设计出弹射座椅双层结构工效学坐垫样件，如图5所示。

1.3.3 人体肌骨系统影像采集依据中国男性歼击机飞行员50%百分位的身高体质量标准，选取1名男性志愿者(身高172 cm，体质量70 kg)作为研究对象，受试者已充分知情并签署书面知情同意书，试验方案通过北京航空航天大学生物与医学伦理委员会审批(批准号：BM20250333)。利用X射线排除脊柱变形类疾病后，采用美国通用电气(GE)公司生产的Lightspeed 16层螺旋CT进行全脊柱及腿部扫描。扫描参数包括层间距0.625 mm，层厚0.5 mm，共获取3 769 张断层影像，分辨率为512×512像素，扫描过程如图6所示。

1.4 方法
1.4.1 人体模型的建立将CT扫描数据导入Mimics 17.0，灰度阈值设置为BONE，结合区域增长与分割功能，对椎骨、盆骨、骶骨、尾骨及双侧股骨进行逐一分离；在冠状面、轴位面与矢状面上完成掩膜校正后，获得各骨的初始掩膜，最后利用Calculate 3D将处理后的断层图像生成三维几何模型(图7)。

由于初步提取的骨骼模型存在噪声和缺陷，需导入Rapidform软件进行平滑降噪处理，通过Geomagic调整股骨位置，使模型符合后续计算所需的弹射座椅坐姿，完成几何模型向实体模型的转换。最后使用Hypermesh软件进行有限元网格划分，其中颈椎最小网格尺寸为1 mm、股骨最大网格尺寸为10 mm，采用四面体网格单元，以保留骨骼曲面细节，如图8所示。

为了准确模拟脊柱的稳定性，选用线弹簧单元建立前纵韧带、后纵韧带、黄韧带及棘间棘上韧带模型，椎间盘模型采用Geomagic与Solidworks联合建模，通过曲面剪裁及布尔运算分离纤维环与髓核，并在Hypermesh软件中划分有限元网格，确保模型符合真实生物力学特性。
在弹射过程中，座椅冲击力主要经由坐垫及臀部传递至脊柱，而肌肉与韧带仅起到连接作用。由于肌肉形态在影像学中难以精确识别，并且主动收缩功能尚处于研究阶段，此次研究采用简化软组织建模策略，即基于现有人体模型构建皮肤及软组织模型，并匹配肌骨系统。有限元网格划分时，软组织网格由肌骨系统2D网格向外生长，与骨骼模型共节点，以确保计算的稳定性与收敛性。最终构建完整的人体有限元模型，并调整脊柱角度至22°，模拟弹射座椅乘坐姿态，如图9所示。

1.4.2 坐垫模型建立根据弹射座椅坐垫的构型设计，在Solidworks软件中构建双层坐垫的几何模型。建立距离底面 10 mm 的平行切割面，将坐垫划分为上下两部分以实现分层结构建模。随后采用与人体模型相同的有限元网格划分的方法，以确保网格质量及计算精度。上下两层坐垫的接触面网格保持共节点，从而在约束施加后可以避免不良应力集中等问题。最后将上下两部分模型设立相应的材料属性，施加面与面间的绑定约束，形成双层坐垫的有限元模型，如图10所示。

1.4.3 有限元模型设置将建立的人椅系统模型导入ABAQUS软件，为保证载荷传递的连续性与数值稳定性，对人体各组织之间及坐垫上下层之间分别施加绑定约束，人与坐垫接触面设置为面面接触，摩擦系数取μ=0.30，该取值位于衣物、皮肤与织物等接触的常用区间(0.2-0.5)中部[26-27]。
将骨骼分为皮、骨和松质骨，其中皮质骨采用壳单元模型，韧带为梁单元模型，其他组织部分均采用实体单元。人体模型的材料属性如表1所示，均以线弹性单元设置[28-29]。由于模型简化了头颈及四肢结构，需要在相应位置增加质量点，具体调整如下所示：头部增加3.04 kg，质量点位于寰枢椎C1正上方；上肢两侧各增加1.53 kg，质量点位于两肩部位；由于飞行姿态脚部由方向舵支承且大腿仅与坐垫前缘接触，无显著压迫，故不额外添加小腿及足部质量。

坐垫采用两种不同材料建模：高回弹材料设置为线弹性，密度为72 kg/m³，弹性模量为0.042 14 MPa，泊松比为0.3：慢回弹材料采用黏弹性模型，基于ABAQUS软件中的Hyperfoam本构模型，输入前文压缩测试试验结果的应力应变曲线，如图11所示。采用一阶函数，横向应变设置为0。慢回弹材料的黏弹性利用Prony级数定义，采用一级应变，Ek=0.030 1，τk=1.74×108。最终的人-椅垫系统有限元模型如图12所示。为验证人-椅垫系统有限元模型的准确性，该文基于既往长航时研究的坐垫压力分布实测数据开展交叉验证，在模型中施加重力场并设置与静态乘坐工况一致的约束，计算静态乘坐状态下的坐垫压力分布[24，30]。

1.4.4 模型简化与假设为在确保关键生物力学响应精度的前提下，平衡模型的计算效率与收敛性，此次研究在建模过程中采纳了以下几类主要的简化与假设：①几何简化：对CT重建的骨骼进行平滑降噪以优化网格质量，同时简化头部及远端肢体等次要结构，并通过添加等效质量点补偿其惯性效应，从而聚焦于核心区域的动力学分析；②材料近似：将骨骼、韧带等生物组织简化为线弹性材料，这在高应变率冲击分析中是一种广泛接受的有效方法，同时采用Hyperfoam本构及一阶Prony级数来近似慢回弹坐垫的复杂黏弹性；③结构简化：肌肉、脂肪等简化为统一的被动“软组织”层，以模拟其惯性与缓冲作用，规避主动肌肉收缩建模的复杂性，椎间盘则简化为由纤维环和髓核构成的核心功能单元；④接触假设：假定组织内部及坐垫层间为理想的绑定连接，人体与坐垫界面则由恒定的摩擦系数来表征。
1.5 主要观察指标 ①坐垫接触压力分布与峰值压力，弹射过载椎间盘最大应力；②脊柱节段载荷，包括 L4-L5与L5-S1椎间盘的等效应力峰值；③损伤风险指标：计算动态响应指数(DRI)并依据伤害函数换算脊柱损伤概率，同时以相应限值进行合规校核与安全裕度评估。

讨论

此次研究基于ABAQUS软件构建了弹射座椅-人体系统有限元模型，并对作者已研究出的一种结合高回弹与慢回弹材料特性的双层坐垫进行了仿真验证。研究结果显示，相较高回弹坐垫，双层坐垫在L4-L5与 L5-S1节段的最大应力分别降低13.07%与14.45%，DRI降低1.8%，模型估计的损伤概率降低10.6%，体现出更低的相对风险与更大的合规裕度，可有效降低飞行员在弹射冲击载荷下脊柱损伤的风险。
在模型构建过程中，通过CT扫描重建了具有较高生物真实性的人体肌骨系统模型，并结合真实坐垫的几何参数构建了有限元模型，最后通过静态压力分布仿真与实验数据的交叉验证，证明了模型的有效性和准确性。尽管所建立的模型已具备较高的逼真性和准确性，但仍存在一定的简化处理，如软组织及肌肉的主动作用被忽略，这可能会对弹射过程中实际的人体动态响应造成一定影响，未来研究可进一步考虑软组织的主动生理响应，采用更加复杂且符合生物力学特性的软组织模型，从而进一步提高模型仿真的准确性与生物真实性。
此外，此次研究选取了第50百分位(P50)的中国男性飞行员作为代表性研究对象，并以此人体尺寸构建模型进行仿真分析，然而，实际飞行员群体存在个体差异，体型差异可能影响座椅与人体之间的相互作用，从而导致不同个体在弹射冲击下的生物力学响应有所不同。因此，未来研究可以进一步拓展至不同体型飞行员的仿真验证，以提升研究结论的普适性与工程应用的广泛性。
文中采用了脊柱损伤风险DRI作为评价标准，量化分析双层坐垫结构在弹射冲击载荷作用下对人体的保护作用，证实了双层坐垫较高回弹坐垫具有更优的缓冲保护性能。然而，DRI虽然被广泛用于脊柱损伤风险的预测，但其本质上仍为一种简化的评价指标，可能无法全面描述脊柱各节段复杂的生理损伤机制，未来研究可以进一步结合生物力学实验数据及临床实际损伤情况，对椎间盘、脊柱韧带等具体组织结构的损伤机制进行更加深入的探讨，以进一步验证与扩展仿真研究的可靠性和实用性。
综上所述，该研究成果不仅验证了双层坐垫结构在提升弹射座椅安全性方面的有效性，也为后续弹射座椅的结构优化与材料选择提供了重要的理论依据与技术参考。未来的研究方向可进一步关注更全面的生理响应与损伤机制，深化人体组织结构的损伤分析，并拓展仿真研究的覆盖范围，以持续提高弹射座椅的安全性和工程应用价值。
结论：该文基于 ABAQUS 有限元仿真方法，构建了弹射座椅-人体系统有限元模型，并对双层坐垫在弹射环境下的缓冲性能和安全性进行了仿真分析。通过高回弹坐垫与双层坐垫在弹射过程中对人体的缓冲效果的对比研究，量化评估其对飞行员生理安全的影响，并基于脊柱损伤风险动态响应指数(DRI)进行损伤风险预测。研究结论如下：①利用CT扫描影像建立了生物逼真度较高的人体有限元模型，并结合弹射座椅坐垫的几何参数，建立了与真实坐垫构型一致的有限元模型。与既往试验研究数据进行对比，验证了人-椅垫系统有限元模型的准确性，仿真结果与实验测得值误差在6%以内，表明所构建的模型具备较高的精度和工程适用性。②采用弹射过程动力学仿真，在相同加速度载荷下对比不同坐垫的性能，结果显示双层坐垫具有更优的缓冲吸能特性，可有效减少L4-L5椎间盘与L5-S1椎间盘的最大应力，从而降低弹射过程中飞行员腰椎损伤的风险。③基于DRI对损伤风险的量化预测表明，双层坐垫方案表现出更优的防护性能：相较于传统坐垫，其DRI值降低至15.42，使预测的脊柱损伤概率下降至0.84%，降幅达10.6%。在满足国标限值要求的前提下，双层坐垫凭借更佳的缓冲吸能特性提供了更高的安全裕度。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

基于ABAQUS的双层坐垫在弹射工况下的脊柱损伤风险评估

Spinal injury risk assessment of a double-layer cushion for ejection seats based on ABAQUS

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[1]	杨晓晓, 许苑晶, 李文韬, 王文豪, 马振江, 王金武. 超声引导下应用超声乳化仪治疗跟腱炎模型兔[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(在线): 1-.
[2]	华堃池, 胡永成. 梯度乙醇脱脂对异体松质骨脱脂效果及力学性能的评估[J]. 中国组织工程研究, 2020, 24(34): 5502-5507.