车辆碰撞模拟仿真分析假人模型.docx

重庆工学院_重庆汽车学院 6/30/2023关于车辆碰撞仿真分析用人体模型的生疏——学习笔记及生疏总结李良 车辆工程 30608020406人体模型：以人体参数为根底建立，描述人体形态特征和力学特征的有效工具， 是争论、分析、设计、评价、试验人机系统不行缺少的重要关心手段依据人体模型的用途进展分类：1、设计用人体模型——汽车用 H 点人体模型2、作业分析用人体模人机系统匹配评价用人体模型3、工作姿势分析用人体模型4、动作分析用人体模型5、人机界面匹配评价用人体模型车辆碰撞仿真分析用人体模型6、动力学分析用人体模型7、运动学分析用人体模型8、试验用人体模型——汽车碰撞试验用人体模型一、概况介绍车辆碰撞仿真分析用人体模型车辆碰撞过程中，车内成员运动的动力学过程具有大位移、非线性、多自由度、瞬时性等特点，建立适合于这些特点的、基于多体系统动力学的人机模型，是进展车辆碰撞过程车内成员运动响应分析的关键技术问题基于多体系统动力学的二维和三维人体模型，应用于汽车碰撞过程中乘员运动响应的仿真分析、汽车碰撞行人事故中人体运动的仿真分析等问题的争论人体模型的构造：〔以 MUL3D 汽车碰撞人体运动响应 为例〕1、人体模型的组成：13 个刚体——头部、颈部、胸部、腰腹部、臀部、左右上臂、左右前臂和手、左右大腿、左右小腿和足。

2、相邻刚体之间的铰接约束形式依据人体关节的解剖学构造特点选取胸部与左右上臂之间的肩关节 ——万向节地址：重庆市杨家坪兴胜路 4 号 ：400050 - 1 -/共 20 页重庆工学院_重庆汽车学院 6/30/2023左、右上臂与左、右前臂之间的肘关节 ——转动副左、右大腿与左、右小腿之间的膝关节 ——转动副其它各关节 ——球面副3、为了描述和计算人体与车身有关构造之间的碰撞力，依据碰撞接触的可能形式，将人体模型各组成局部的外形用椭球加以描述，将车身有关构造局部的外形用平面加以描述，按椭球与平面的贯穿接触来计算贯穿接触力二、虚拟现实中多刚体人体模型的构建1、人体 Hanavan 模型概述在虚拟环境中模拟人体运动，首先就是要建立逼真的人体模型从运动生物力学角度看，还要建立运动技术的力学模型，必需知道内在规律和约束条件两类因素人体的外形主要是由人体的骨骼构造和附着在骨骼上的肌肉运动打算的在人体运动过程中，皮肤的形变随着骨骼的弯曲和肌肉的伸展与收缩而变化人体外形模型构建通常承受棒模型、外表模型和体模型三种方法棒模型是将人体轮廓用棒图形和关节来表示外表模型是由一系列多边形和曲面片的外表将人体骨骼包围起来表示人体外型，该模型可以通过修改外表点来表示人体的运动，也可以消退其隐蔽面， 真实感较强，但有限的多边形面表示人体外表光滑性不够。

体模型是由根本体素的组合来表示人体外型，如承受圆柱体、椭球体、球体等体素来构造人体人体在无视受力产生形变的状况下，可看作一个由关节点连接的多个刚体所构成的系统人体运动仿真系统的人体模型通常承受的是汉纳范〔Hanavan〕模型它将人体分解为1 5 段，由头、上躯干、下躯干、左上臂、左下臂、左手、右上臂、右下臂、右手、左大腿、左小腿、左脚、右大腿、 右小腿、右脚组成，每一段皆为匀质的不行变形的刚体，各段之间以绞链相连接[5]对于一般的刚体，任意时刻只要知道它的空间位置、姿势，就能在空间中描述这个刚体而人体不同于一般的刚体，人体是由200 多个旋转关节组成的复杂形体，仅仅依靠三个位置量、三个姿势角不能模拟真实的人体运动，需要供给全部的关节数据所以人体运动的仿真要远简洁于一般的刚体，也就更具挑战性地址：重庆市杨家坪兴胜路 4 号 ：400050 - 2 -/共 20 页2、三维人体模型设计重庆工学院_重庆汽车学院 6/30/2023由于人体构造的简洁性，有必要对人体进展抽象和简化，为了更好的描述运动， 把人构造成层次构造人体骨架模型主要由关节和骨骼构成有些关节构造比较简洁，比方肩关节，它实际上由很多组织构成，但这里只把它当作一个类似铰链的关节。

对于骨骼也作了简化，比方前臂原来是由尺骨和桡骨组成的，这里把尺骨和桡骨合并为一个骨骼，把骨骼看作不行形变的刚体关节是连结人体各部位的环节，也是人体运动的枢纽，是传递力和力矩、使人体能作正常运动的重要器官人体关节的自由度多，因而可实现很多精细运动人体各个关节〔分为车轴关节、滑车关节、椭圆关节、鞍状关节、球窝关节〕活动的方向与角度，与关节的外表形态有亲热的关系，且打算着关节运动的自由度[ 2 ]一个物体沿 X〔Y、Z 〕轴方向移动称具有一个自由度，绕X〔Y、Z 〕轴方向转动称具有一个自由度，要确定一个物体的空间位置和姿势至少需要六个自由度人体关节依据实际运动动作通常被模拟为圆柱绞、万向绞和球铰，它受到人体运动生理上的限制全部关节，在安康状态下加上肌肉和韧带的关系，某一关节的自由度不多于 3 个，所以必需明确人体各关节运动的约束条件人体模型中各肢体之间存在确定的运动连带关系将关节看成点,将关节之间的 骨骼看成是链,就可以依据运动关系将各肢体链接起来人体分层构造其实就是树形构造每个节点只有一个父亲，根节点无父亲；关节的父亲和儿子是骨骼， 每个关节只有一个儿子；骨骼的父亲和儿子是关节；每块骨骼可能有多个子关节。

依据汉纳范〔Hanavan〕人体运动系统模型，总共定义了 15 个关节 15 块骨骼； 根骨骼是下躯干骨骼，其父关节是 jRoot，是面对世界坐标的，是树的总根地址：重庆市杨家坪兴胜路 4 号 ：400050 - 3 -/共 20 页重庆工学院_重庆汽车学院 6/30/20233、三维人体模型设计实现针对人体模型的简洁性，承受参数化的方法来表述人体的拓扑信息、几何信息以及物理信息即把人体分成由不同的块和关节组成，各个块和关节用参数来描述， 然后用树构造把各块的关系表示出来对于人体模型的构造过程，具体来说，可依据某一个块的参数来构造出人体某一局部的骨架，这个骨架是承受面对对象技术， 由骨骼类、关节类按具体的根本形体来表现[ 4 ]人体模型的主要目的是进展人体运动仿真争论，以及供给虚拟现实或三维玩耍角色运用面对对象技术将人体划分为骨骼类、关节类，按人体构造层次建立了人体多刚体模型，为今后实现人体运动打下了根底人体模型的各关节的活动均可由成员变量把握，这样就可以依据人体运动方程和碰撞检测结果，完成站立、坐下、下蹲、卧倒、步行、奔驰、跳动、攀援、爬行、游泳、取物、推拉、射击等根本动作[1]。

开发者也可以依据需要，组合出更加简洁的人体动作三、汽车碰撞过程中人员响应的仿真建模地址：重庆市杨家坪兴胜路 4 号 ：400050 - 4 -/共 20 页重庆工学院_重庆汽车学院 6/30/2023通过人机工程分析, 构造多刚体系统的人体模型, 应用数理方法, 建立高速大路汽车碰撞乘员动力学响应的数学模型 , 应用该模型可以局部代替实车碰撞试验 , 进展汽车主、被动安全性能的计算机仿真争论以及乘员致伤机理争论近年来, 我国高速大路里程增长快速, 由交通事故统计资料觉察我国高速大路上汽车追尾冲突事故占很高的比例汽车发生追尾冲突时, 由于惯性, 乘员的头部、胸部、大腿和小腿等将发生移动和碰撞, 导致乘员身体受伤及颈部产生挥鞭样损伤以汽车正面碰撞事故中乘员的运动为原形, 在人因分析的根底上建立人体的物理和数学模型, 并进展计算机仿真, 争论汽车碰撞过程中乘员的动力学响应 , 从而为交通事故中乘员损伤程度的判定、车内的安全保护设施的构造布置和材料特性以及它们对乘员安全影响的争论供给科学依据1、 人因分析和人体建模在汽车碰撞争论中, 人体可用假人, 也可用力学和数学模型来模拟前者关键在于使研制出的假人能符合人体的生物学特点, 如模拟人体各关节的铰的自由度、刚度阻尼特性以及模拟人体肌肉材料的响应特性, 要符合人体实际状况。

后者关键在于所建立的人体模型的响应特性(如对冲击力、加速度等输入的响应) 应符合人体响应特性[ 1 ]人体运动仿真是由生物力学，计算机图形学，机器人学等学科穿插而形成兴的争论方向人体建模的主要过程包括: (1) 确定人体模型的组成局部, 包括各部件(器官)、进展分析争论此外, 还可依据实际状况对人体模型及其环境适当简化而不影响分析结果 , 从而更有利于模型的建立, 实现运动仿真把坐姿状态的人体简化为由铰链接的七个刚体的多刚体系统, 如以下图刚体 B i ( i = 1, 2, 3, 4, 5, 6) 分别代表人体的脚、小腿、大腿、身躯、头颈、上臂和前臂, 铰 O i ( i = 1, 2, 3, 4,地址：重庆市杨家坪兴胜路 4 号 ：400050- 5 -/共 20 页约束(关节) 及其几何外形等; (2) 取得描述人体模型的空间方位、几何及运动物理参数等各种数据; (3) 确定全局坐标系, 组装模型, 并使各部件的局部坐标简化, 便于分析计算; (4) 对人体模型初步校核, 消退尺寸误差, 限定各关节的运动范围 ; (5) 对人体模型添加附加约束、力和运动, 构造人机系统模型, 将其应用于具体问题中重庆工学院_重庆汽车学院 6/30/20235, 6) 分别代表相应的关节。

由铰链接的刚体偶对之间的相对运动只有转动多刚体人体模型体铰示意图在对人体头颈部的仿真格外重要, 由于在实际的交通事故中由于头颈损害致死的比例相当大[ 2 ]头颈的显著特点是颈椎相邻体之间有相对滑动, 因此在模型中将其定义为一个复合运动副, 即在三个方向转动的球面副的根底上增加了一个竖直方向滑动的移动副, 使其更接近头颈部真实的运动状态描述模型的参数主要包括: 人体总体尺寸与各部位的尺寸、质量、惯量和体积等参数, 各种组织器官的密度、杨氏模量和泊松比等本人体模型所需数据主要包括: (1) 描述乘员的根本数据, 主要来自于文献[3 ]; 对中国成年人体几何参数, 主要参照了中国成年人体尺寸标准数据[ 4 ]; 力学参数主要参照文献[5 ] 中供给的试验所得中国成年人体的真实测量数据2) 人体在碰撞前的运动参数(如位置、速度等)3) 与运动有关的物理参数可通过对人体进展运动分析试验, 来获得其运动规律的实测值, 从而得出与运动有关的物理参数, 如刚度、弹性模量和阻尼系数等模型的运动响应时间序列图运用该模型对汽车碰撞中运动响应的时间序列进展了计算 , 如上图所示, 其对应时间段的姿势与文献[6 ]、文献[7 ] 中对假人试验结果的描述根本符合, 说明所建人体模型具有很好的有用性。

2 碰撞的物理和数学模型2.1 物理模型的建立地址：重庆市杨家坪兴胜路 4 号 ：400050 - 6 -/共 20 页重庆工学院_重庆汽车学院 6/30/2023乘员- 汽车系统的物理模型乘员- 汽车系统的简化方法:(1) 人体模型为由铰链接的七个刚体的多刚体系统;(2) 座椅靠背和头部保护装置用刚体框架代替 , 其连接刚度用非线性弹簧和阻尼器模拟;(3) 座椅和头部保护装置的软垫及安全带用非线性弹簧模拟;(4) 乘员的脚和汽车内部底板之间的相互接触作用用非线性弹簧和阻尼器模拟所用弹簧和阻尼的运动和力学特性、链接处运动和力学特性由试验取得本文针对高速大路。