刘 洋，王 航，曹新生

    (空军军医大学航空航天医学系航空航天人机工效学教研室，陕西 西安710032)

    生物力学是指应用力学原理与方法对生命体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。生物力学的基本任务是运用物理力学的理论和方法来研究生物和人类在宏观和微观水平上的力学特性和活动，通过剖析发生于人类生命活动过程中的各类力学现象和过程，认识人类生命过程的基本规律，从而回答有关生物技术和生命科学领域的基础科学问题[1]。作为生物力学仿真技术的多体动力学仿真模型和有限元方法已经全面应用于生物力学研究[2-3]。生物力学仿真技术已成为临床医学、航空航天、汽车安全以及个体安全防护设备研究的一种重要手段。数值模拟方法有助于研究人员更好地理解软组织中发生的应力和应变，已广泛应用于生物力学研究中[4-5]。

    航空医学关注的是在航空工作环境下所引发的心理、生理和医学问题以及相应的预防措施。航空特殊环境主要包括气体环境、力学环境、温度环境、噪声环境、辐射环境等[6-7]。军事飞行人员身体长年承受着复杂的力学环境的影响，复杂多变的力学环境(包括持续性加速度、冲击性加速度、振动以及微重力等)不仅会对人体各组织及器官产生影响，而且长时间处于复杂的力学环境下会威胁到人的生命健康。不同的力学环境和防护设计对于个体响应也存在差异性。航空医学研究典型力学大多难以通过实验复现，并且实验测量还具有一定的危险性，例如弹射救生、高速气流吹袭以及开伞冲击等，这就为生物力学仿真技术研究航空医学问题提供了条件，通过生物力学建模与仿真不仅可以从生物力学角度揭示飞行相关病变的机制，还有助于研发新型航空个体防护装备，优化航空装备工效学，预测航空飞行相关疾病发展变化过程等[8]。因此，生物力学仿真研究在航空医学领域越来越被研究者所重视。

    1 军事航空医学研究中面临的典型力学问题

    军事航空飞行和空降训练作战中面临复杂多变的力学环境，对飞行人员和伞降人员会产生诸多力学影响，例如高性能战机的各种特技动作和机动飞行、飞机迫降或坠毁、弹射离机以及开伞或者着陆冲击等，航空医学研究中应用生物力学仿真技术常通过运用计算机软件模拟飞行人员或者空降兵在不同作业环境下其关节力、肌肉力以及器官组织的受力，并利用仿真结果对个体防护装备进行优化设计。

    1.1 颈部损伤

    电子技术、发动机技术以及复合材料的快速发展及其在飞机的设计与制造中的应用，使得飞机的机动性能大幅提升，可以完成多种形式的超机动动作(如普加乔夫眼镜蛇、落叶飘以及库尔彼特筋斗等)，在飞机完成超机动动作时产生的特殊力学环境对操控飞机的飞行人员的生理功能将产生重要影响[9] ......