汽车碰撞仿真人体模型研究
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ZHAO L i2jun, L IU Tao
(Harbin Institute of Techaology in W eihai,W eihai 264209, China)
A b s tra c t: Based on CATIA , a P50 mannequin of adult man is designed to simulate automobile collision. The size
1 发展和结构要求 自上世纪 70年代以来 ,欧美国家相继研制了更加符合试验需要
的假人模型 [1～2 ] 。1976年 ,美国通用 ( GM )公司推出 Hybrid III型假 人 ,并于 1977年取代 Hybrid Ⅱ型假人成为验证车辆是否符合 FMVSS 208安全标准性能要求的唯一试验假人 。
2. 1 骨骼模型的设计 为满足假人功能要求 ,设计 6个关节 :肩关节、肘关节 、腕关节、髋
关节 、膝关节、踝关节。胸锁关节和肩锁关节作为胸部设计的一部分。
假人头部模型的最大长 、宽和全高使用标准数据 ;颈部设计成弹
簧 ,在汽车碰撞时 ,颈部运动轨迹与真人相似 ;胸部模型包括钢制的
肋骨 、胸骨 、胸脊椎 ,铸铝锁骨 、铸铝肩胛骨等 ;肩部模型主要由肩胛
关键词 :碰撞试验 ;仿真模型 ;仿生性 中图分类号 : U461. 91; U467. 1 + 4 文献标识码 : A 文章编号 : 1006- 0006 (2007) 04- 0001- 02
R e se a rch o n M a nne qu in S im u la ting Au tom o b ile Co llis io n
的接触面积 ,使其能够承受较大的载荷 。骨盆两侧有两个类似关节
窝的孔 ,与大腿骨相连形成髋关节 。
上肢设计主要包括上臂及肩关节连接件、肘关节、前臂、腕关节 、
手。上臂肘关节组件圆周上有一挡块 ,用来控制前臂的转动范围。腕
关节采用与肘关节类的连接 ,转动范围加大 ,符合人体腕关节的生物
力学特性。上肢被简化为“T型 ”的钢制件。下肢包括大腿、小腿、膝
Ke y wo rd s: Collision experiment; Simulative mannequin; B ionic feature
汽车碰撞试验是检验汽车安全性能的重要测试手段 ,用假人作 为汽车碰撞试验的基础工具 ,可在碰撞试验中获得评估汽车安全性 所需的数据 ,从而为汽车改进 、乘员保护系统设计提供科学依据 。目 前 ,我国在碰撞试验中使用欧美等国家生产的假人 ,价格昂贵 ,并且 测量数据不能真实反映我国人体损伤状况 。
立姿
上肢 下肢 胸部 胯部 整体
0. 082 0 - 0. 001 0 0. 081 - 0. 007 - 0. 001 - 0. 007 0. 002 0. 871 0. 001 - 0. 033 0. 001 0. 872 - 0. 036 - 0. 033 - 0. 036 0. 025 0. 099 - 0. 011 0 - 0. 011 0. 093 - 0. 001 0 - 0. 001 0. 075 0. 069 - 0. 016 0. 005 - 0. 016 0. 06 0 0. 005 0 0. 092 11. 297 - 0. 376 - 0. 329 - 0. 376 11. 095 - 0. 42 - 0. 329 - 0. 42 1. 021
关节 、踝关节、足部以及髋关节连接件设计。髋关节的关节头呈圆球
状 ,能够沿三个互相垂直的运动
轴做屈伸 、内收、外展、旋内和旋
转等运动 ,股骨球头与骨盆球窝
配合 ,完成髋关节运动 。膝关节
为铰链结构 ,实现小腿与大腿之
间的连接与运动 。踝关节的设计
主要实现内连足尖内收 (外展 )和
绕冠状轴的屈伸 。
假人骨骼坐姿总装见图 1所
mm 腰围
1 678 313
237
465
369
280
212
735
3. 2 活动范围参数验证
假人模型应具有一定的活动能力 ,即肢体能够有一定的动作范
围。肢体活动角度范围及连接方式见表 4所示 ,满足人机工程学标准。
表 4 活动范围参数及连接方式
Ta b. 4 P a ram e te rs o fM o vem e n t R a nge a nd J o in ing M o de s
骨 、锁骨 、锁能环节及托架组成 ;肩胛骨与上肢上臂铰链连接 ,实现上
臂相对肩部的转动 。锁能环节与锁骨配合实现水平面上的转动 ,与
锁骨连接件配合实现冠状面上的转动 。假人腰腹部模型结构主要包
括腰椎 、骨盆及相关连接件 。腰椎选用人工橡胶材料 ,采用直立的圆
柱设计 。假人的盆骨模型采用楔形铸铝件设计 ,上下两端具有较大
Ixx
Ixy
Ixz
Iyx
Iyy
Iyz
Izx
Izy
Izz
0. 082 0 - 0. 001 0 0. 081 - 0. 007 - 0. 001 - 0. 007 0. 002
0. 412 0. 103 - 0. 165 0. 103 0. 493 0. 104 - 0. 165 0. 104 0. 239
汽车碰撞仿真人体模型研究
赵立军 , 刘 涛
(哈尔滨工业大学 (威海 )汽车工程学院 ,山东 威海 264209)
摘要 :以成年男子第 50百分位汽车碰撞试验假人为对象 ,基于 CATIA 软件建立仿真模型 。模型尺寸参数 、结构形态和材料具 有仿生特性 ;重量分布 、关节活动 、骨骼功能符合人体特征 ,具有较高的力学等效性 ;模型具有精确的数据测量性 ,满足汽车碰撞试 验模拟的要求 。
标准值
0. 045
59. 035
3. 73
3. 4 生物力学参数验证
假人模型转动惯量和惯性中心坐标参数见表 6～7。
表 6 模型部分转动惯量 Ta b. 6 P a rtia lM om e n t o f Ine rtia o fM a nne qu in
kg·m 2
坐姿
上肢 下肢 胸部 胯部 整体
示。
2. 2 外部肌肉模型的设计
图 1 骨骼总装模型 F ig. 1 O ve ra ll Co nfigu ra tio n o f Bo ne s
假人外部肌肉的设计制造是外部形态仿生的关键 ,除了选用符
收稿日期 : 2006- 08- 03 基金项目 :哈尔滨工业大学 (威海 )校基金资助项目 [ H IT (WH ) 200501 ]
球铰连接
膝关节 膝关节 踝关节
踝关节 骨间关节
屈伸 (从屈伸到小腿伸直约 110°、旋内 旋外 60°)
绕冠状 轴 屈伸 约 90°, 绕内 连 足尖 内 收 /外展
铰链连接 球铰连接
3. 3 生理学参数验证
它包括人体表面积 、体积等生理指标 ,由于条件所限 ,只是统计
了人体表面积和假人模型的体积 。模型生理学参数见表 5。
图 2 假人模型总装图 F ig. 2 O ve ra ll Co nfigu ra tio n o fM a nne qu in
2. 3 零部件材料参数的确定
由于人体的骨骼 、肌肉的组织不同 ,它们所具有的结构 、功能也
有所不同 ,因此 ,材料的选取对人体模型仿生性能会起到很重要的作
用 。对于人体模型零部件的材料选取如表 2所示 。
在 SAE标准中对假人参数规定 :尺寸 、重量分布 、关节的活动 、 胸部等各部分在受载荷时的变形特性应与人体很相似 ,能对人体相 对应的各部分的加速度 、负荷等参量进行测定 ,个体间的差异小 ,反 复再现性好 ,并且具有优良的耐久性 。
2 模型的建立
依据人机工程学人体标准尺寸和人体测量的参照系 [1 ] ,确定成
0. 099 - 0. 011 0 - 0. 011 0. 093 - 0. 001 0 - 0. 001 0. 075
0. 069 - 0. 016 0. 005 - 0. 016 0. 06 0 0. 005 0 0. 092
11. 297 - 0. 376 - 0. 329 - 0. 376 11. 095 - 0. 42 - 0. 329 - 0. 42 1. 021
·1·
拖拉机与农用运输车 第 4期 2007年 8月
合人体生物力学特性的材料以外 ,应最大程度的包裹金属骨架 ,关节 在活动时不发生干涉 ,外部形态仿生 。为了不影响假人活动 ,在主要 关节处和腰腹部将人体外部形态分为九个部分 : 胸 、腰部 、上臂 、前 臂 、大腿 、小腿 、手 、足 。
在各部件设计结束后 ,对骨骼和肌肉进行总装并分析坐姿和立 姿的干涉 。假人总装模型如图 2所示 。
parameters, structure and configuration, as well as material of the mannequin are all bionic. The weight distribution, arthrosis movement and bone function accord w ith the features of flesh body and have high mechanical equivalency. The data of the mannequin can be accurately measured and the requirements of simulative experiment of automobile collision can be met.
近年来 ,随着计算机软件技术的飞速发展 ,使有限元乘员安全性 模拟手段不断成熟 。本文基于 CATIA 软件建立碰撞仿真 ,用中国假 人模型 ,可以在计算机碰撞模拟中定量 、精确地测试人体某部位所受 冲击力的大小 ,消除了由于中国人体参数与国外人体差异引起的碰 撞试验数据偏差 ,可以为我国汽车碰撞试验模拟提供科学的依据 。
年男性 50百分位的尺寸参数和关节设计方案 。尺寸参数见表 1。
表 1 模型基本尺寸参数
Ta b. 1 S ize P a ram e te rs o fM a nne qu in
mm
头最大长 头最大宽 头全高 前臂长 后臂长 手长 大腿长 小腿长 足长
184
154
223 313 294 183 465 369 247
大腿长 、小腿长等长度尺寸和胸宽 、胸厚 、腰围都达到了 Hybrid III假
人模型的标准 。模型静止形态尺寸参数如表 3所示 。
身高
表 3 静止形态尺寸参数 Ta b. 3 S ize P a ram e te rs o f S ta tic Co nfigu ra tio n 上臂长 前臂长 大腿长 小腿长 胸宽 胸厚
表 5 模型生理学参数
Ta b. 5 P hys io lo g ica l P a ram e te rs o fM a nne qu in
体积 /m3
质量 / kg
表面积 /m2
上肢
0. 01
9. 705
0. 513
下肢
0. 002
2. 207
0. 205
假人模型
0. 045
Βιβλιοθήκη Baidu59. 035
3. 79
第 34卷第 4期 拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 Vol. 34 No. 4 2007 年 8 月 Tractor & Farm Transporter Aug. , 2007
关节 简化关节
活动范围
连接方式
肩关节
肩关节
屈约 90°、伸约 50°、内收 、外展约 旋内 、旋外 、环转运动
90°、
复合连接
肘关节 桡腕关节 腕骨关节 腕掌关节
肘关节 腕关节
屈伸 150°、旋内 、旋外 屈伸 160°、内收 60°、外展 90°
铰链连接 铰链连接
髋关节
髋关节
屈 90°、伸 80°、内收 40°、外展 30°、旋 内旋外
名 称
表 2 模型材料类型 Ta b. 2 M a te ria l Typ e s o fM a nne qu in
材料 名 称
材料
头部 /肩胛骨 /锁骨 /胯部 /手 /足 铸铝 胸部 肋骨
钢
颈部
橡胶 上臂 /前臂 /大腿 /小腿 /胸部 /胯部 皮革
3 模型的参数验证
3. 1 静止形态参数验证 模型在立姿 、坐姿 、跪姿和卧姿下的身高 、体重 、上臂长 、前臂长 、
(Harbin Institute of Techaology in W eihai,W eihai 264209, China)
A b s tra c t: Based on CATIA , a P50 mannequin of adult man is designed to simulate automobile collision. The size
1 发展和结构要求 自上世纪 70年代以来 ,欧美国家相继研制了更加符合试验需要
的假人模型 [1～2 ] 。1976年 ,美国通用 ( GM )公司推出 Hybrid III型假 人 ,并于 1977年取代 Hybrid Ⅱ型假人成为验证车辆是否符合 FMVSS 208安全标准性能要求的唯一试验假人 。
2. 1 骨骼模型的设计 为满足假人功能要求 ,设计 6个关节 :肩关节、肘关节 、腕关节、髋
关节 、膝关节、踝关节。胸锁关节和肩锁关节作为胸部设计的一部分。
假人头部模型的最大长 、宽和全高使用标准数据 ;颈部设计成弹
簧 ,在汽车碰撞时 ,颈部运动轨迹与真人相似 ;胸部模型包括钢制的
肋骨 、胸骨 、胸脊椎 ,铸铝锁骨 、铸铝肩胛骨等 ;肩部模型主要由肩胛
关键词 :碰撞试验 ;仿真模型 ;仿生性 中图分类号 : U461. 91; U467. 1 + 4 文献标识码 : A 文章编号 : 1006- 0006 (2007) 04- 0001- 02
R e se a rch o n M a nne qu in S im u la ting Au tom o b ile Co llis io n
的接触面积 ,使其能够承受较大的载荷 。骨盆两侧有两个类似关节
窝的孔 ,与大腿骨相连形成髋关节 。
上肢设计主要包括上臂及肩关节连接件、肘关节、前臂、腕关节 、
手。上臂肘关节组件圆周上有一挡块 ,用来控制前臂的转动范围。腕
关节采用与肘关节类的连接 ,转动范围加大 ,符合人体腕关节的生物
力学特性。上肢被简化为“T型 ”的钢制件。下肢包括大腿、小腿、膝
Ke y wo rd s: Collision experiment; Simulative mannequin; B ionic feature
汽车碰撞试验是检验汽车安全性能的重要测试手段 ,用假人作 为汽车碰撞试验的基础工具 ,可在碰撞试验中获得评估汽车安全性 所需的数据 ,从而为汽车改进 、乘员保护系统设计提供科学依据 。目 前 ,我国在碰撞试验中使用欧美等国家生产的假人 ,价格昂贵 ,并且 测量数据不能真实反映我国人体损伤状况 。
立姿
上肢 下肢 胸部 胯部 整体
0. 082 0 - 0. 001 0 0. 081 - 0. 007 - 0. 001 - 0. 007 0. 002 0. 871 0. 001 - 0. 033 0. 001 0. 872 - 0. 036 - 0. 033 - 0. 036 0. 025 0. 099 - 0. 011 0 - 0. 011 0. 093 - 0. 001 0 - 0. 001 0. 075 0. 069 - 0. 016 0. 005 - 0. 016 0. 06 0 0. 005 0 0. 092 11. 297 - 0. 376 - 0. 329 - 0. 376 11. 095 - 0. 42 - 0. 329 - 0. 42 1. 021
关节 、踝关节、足部以及髋关节连接件设计。髋关节的关节头呈圆球
状 ,能够沿三个互相垂直的运动
轴做屈伸 、内收、外展、旋内和旋
转等运动 ,股骨球头与骨盆球窝
配合 ,完成髋关节运动 。膝关节
为铰链结构 ,实现小腿与大腿之
间的连接与运动 。踝关节的设计
主要实现内连足尖内收 (外展 )和
绕冠状轴的屈伸 。
假人骨骼坐姿总装见图 1所
mm 腰围
1 678 313
237
465
369
280
212
735
3. 2 活动范围参数验证
假人模型应具有一定的活动能力 ,即肢体能够有一定的动作范
围。肢体活动角度范围及连接方式见表 4所示 ,满足人机工程学标准。
表 4 活动范围参数及连接方式
Ta b. 4 P a ram e te rs o fM o vem e n t R a nge a nd J o in ing M o de s
骨 、锁骨 、锁能环节及托架组成 ;肩胛骨与上肢上臂铰链连接 ,实现上
臂相对肩部的转动 。锁能环节与锁骨配合实现水平面上的转动 ,与
锁骨连接件配合实现冠状面上的转动 。假人腰腹部模型结构主要包
括腰椎 、骨盆及相关连接件 。腰椎选用人工橡胶材料 ,采用直立的圆
柱设计 。假人的盆骨模型采用楔形铸铝件设计 ,上下两端具有较大
Ixx
Ixy
Ixz
Iyx
Iyy
Iyz
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Izy
Izz
0. 082 0 - 0. 001 0 0. 081 - 0. 007 - 0. 001 - 0. 007 0. 002
0. 412 0. 103 - 0. 165 0. 103 0. 493 0. 104 - 0. 165 0. 104 0. 239
汽车碰撞仿真人体模型研究
赵立军 , 刘 涛
(哈尔滨工业大学 (威海 )汽车工程学院 ,山东 威海 264209)
摘要 :以成年男子第 50百分位汽车碰撞试验假人为对象 ,基于 CATIA 软件建立仿真模型 。模型尺寸参数 、结构形态和材料具 有仿生特性 ;重量分布 、关节活动 、骨骼功能符合人体特征 ,具有较高的力学等效性 ;模型具有精确的数据测量性 ,满足汽车碰撞试 验模拟的要求 。
标准值
0. 045
59. 035
3. 73
3. 4 生物力学参数验证
假人模型转动惯量和惯性中心坐标参数见表 6～7。
表 6 模型部分转动惯量 Ta b. 6 P a rtia lM om e n t o f Ine rtia o fM a nne qu in
kg·m 2
坐姿
上肢 下肢 胸部 胯部 整体
示。
2. 2 外部肌肉模型的设计
图 1 骨骼总装模型 F ig. 1 O ve ra ll Co nfigu ra tio n o f Bo ne s
假人外部肌肉的设计制造是外部形态仿生的关键 ,除了选用符
收稿日期 : 2006- 08- 03 基金项目 :哈尔滨工业大学 (威海 )校基金资助项目 [ H IT (WH ) 200501 ]
球铰连接
膝关节 膝关节 踝关节
踝关节 骨间关节
屈伸 (从屈伸到小腿伸直约 110°、旋内 旋外 60°)
绕冠状 轴 屈伸 约 90°, 绕内 连 足尖 内 收 /外展
铰链连接 球铰连接
3. 3 生理学参数验证
它包括人体表面积 、体积等生理指标 ,由于条件所限 ,只是统计
了人体表面积和假人模型的体积 。模型生理学参数见表 5。
图 2 假人模型总装图 F ig. 2 O ve ra ll Co nfigu ra tio n o fM a nne qu in
2. 3 零部件材料参数的确定
由于人体的骨骼 、肌肉的组织不同 ,它们所具有的结构 、功能也
有所不同 ,因此 ,材料的选取对人体模型仿生性能会起到很重要的作
用 。对于人体模型零部件的材料选取如表 2所示 。
在 SAE标准中对假人参数规定 :尺寸 、重量分布 、关节的活动 、 胸部等各部分在受载荷时的变形特性应与人体很相似 ,能对人体相 对应的各部分的加速度 、负荷等参量进行测定 ,个体间的差异小 ,反 复再现性好 ,并且具有优良的耐久性 。
2 模型的建立
依据人机工程学人体标准尺寸和人体测量的参照系 [1 ] ,确定成
0. 099 - 0. 011 0 - 0. 011 0. 093 - 0. 001 0 - 0. 001 0. 075
0. 069 - 0. 016 0. 005 - 0. 016 0. 06 0 0. 005 0 0. 092
11. 297 - 0. 376 - 0. 329 - 0. 376 11. 095 - 0. 42 - 0. 329 - 0. 42 1. 021
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拖拉机与农用运输车 第 4期 2007年 8月
合人体生物力学特性的材料以外 ,应最大程度的包裹金属骨架 ,关节 在活动时不发生干涉 ,外部形态仿生 。为了不影响假人活动 ,在主要 关节处和腰腹部将人体外部形态分为九个部分 : 胸 、腰部 、上臂 、前 臂 、大腿 、小腿 、手 、足 。
在各部件设计结束后 ,对骨骼和肌肉进行总装并分析坐姿和立 姿的干涉 。假人总装模型如图 2所示 。
parameters, structure and configuration, as well as material of the mannequin are all bionic. The weight distribution, arthrosis movement and bone function accord w ith the features of flesh body and have high mechanical equivalency. The data of the mannequin can be accurately measured and the requirements of simulative experiment of automobile collision can be met.
近年来 ,随着计算机软件技术的飞速发展 ,使有限元乘员安全性 模拟手段不断成熟 。本文基于 CATIA 软件建立碰撞仿真 ,用中国假 人模型 ,可以在计算机碰撞模拟中定量 、精确地测试人体某部位所受 冲击力的大小 ,消除了由于中国人体参数与国外人体差异引起的碰 撞试验数据偏差 ,可以为我国汽车碰撞试验模拟提供科学的依据 。
年男性 50百分位的尺寸参数和关节设计方案 。尺寸参数见表 1。
表 1 模型基本尺寸参数
Ta b. 1 S ize P a ram e te rs o fM a nne qu in
mm
头最大长 头最大宽 头全高 前臂长 后臂长 手长 大腿长 小腿长 足长
184
154
223 313 294 183 465 369 247
大腿长 、小腿长等长度尺寸和胸宽 、胸厚 、腰围都达到了 Hybrid III假
人模型的标准 。模型静止形态尺寸参数如表 3所示 。
身高
表 3 静止形态尺寸参数 Ta b. 3 S ize P a ram e te rs o f S ta tic Co nfigu ra tio n 上臂长 前臂长 大腿长 小腿长 胸宽 胸厚
表 5 模型生理学参数
Ta b. 5 P hys io lo g ica l P a ram e te rs o fM a nne qu in
体积 /m3
质量 / kg
表面积 /m2
上肢
0. 01
9. 705
0. 513
下肢
0. 002
2. 207
0. 205
假人模型
0. 045
Βιβλιοθήκη Baidu59. 035
3. 79
第 34卷第 4期 拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 Vol. 34 No. 4 2007 年 8 月 Tractor & Farm Transporter Aug. , 2007
关节 简化关节
活动范围
连接方式
肩关节
肩关节
屈约 90°、伸约 50°、内收 、外展约 旋内 、旋外 、环转运动
90°、
复合连接
肘关节 桡腕关节 腕骨关节 腕掌关节
肘关节 腕关节
屈伸 150°、旋内 、旋外 屈伸 160°、内收 60°、外展 90°
铰链连接 铰链连接
髋关节
髋关节
屈 90°、伸 80°、内收 40°、外展 30°、旋 内旋外
名 称
表 2 模型材料类型 Ta b. 2 M a te ria l Typ e s o fM a nne qu in
材料 名 称
材料
头部 /肩胛骨 /锁骨 /胯部 /手 /足 铸铝 胸部 肋骨
钢
颈部
橡胶 上臂 /前臂 /大腿 /小腿 /胸部 /胯部 皮革
3 模型的参数验证
3. 1 静止形态参数验证 模型在立姿 、坐姿 、跪姿和卧姿下的身高 、体重 、上臂长 、前臂长 、