王 欣，馬瑞雪

(重慶車輛檢測研究院國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶 400067)

TNO-10型碰撞假人的結(jié)構(gòu)研究*

王 欣，馬瑞雪

(重慶車輛檢測研究院國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶 400067)

詳細闡述了主要用于安全帶動態(tài)試驗的TNO－10型碰撞假人的結(jié)構(gòu)研究，將其分為小腿、頭頸部、軀干和大腿等部件，并對每個部件進行了制作過程的講解，為TNO－10假人的制作提出基礎(chǔ)研究參考。

安全帶;動態(tài)試驗;碰撞假人;結(jié)構(gòu)

1 引言

TNO－10型碰撞假人是專為座椅和安全帶動態(tài)測試及其它研發(fā)試驗所開發(fā)的、物理質(zhì)量按50%的人體分布設(shè)計的假人。該假人在碰撞試驗中用于配重，設(shè)計為只有一條小腿的假人。該假人可分為頭頸部、小腿、軀干和大腿等部件，內(nèi)部為模擬人體骨骼的金屬骨架，外表為一層模擬肌肉皮膚的聚氨酯材料。該假人的設(shè)計資料為全球公開，只要研制出的假人的質(zhì)量、尺寸、質(zhì)心和標定結(jié)果滿足標準要求即可。

我國已經(jīng)開展了國產(chǎn)碰撞假人的設(shè)計與分析［1－3］。為開展TNO－10假人的研制，分別將假人分為小腿、頭頸部、軀干、大腿等部件，對其部件結(jié)構(gòu)以及部件之間的連接關(guān)系進行研究。

對TNO－10假人的設(shè)計規(guī)范有明確規(guī)定的有ECE R16［4］、GB 14166［5］和 TNO－10假人使用手冊［6］。在這些標準規(guī)范中有相應(yīng)的部件材料和尺寸清單，但其金屬骨架與肌肉皮膚之間的相對位置還是很不清楚，通過分析，項目組通過查找資料和開展X光照射來確定了假人“骨架”和“肌肉”的相對關(guān)系。

對于外形結(jié)構(gòu)，為了與進口假人一致，項目組采用德國?？怂箍导す鈷呙鑳x和三維軟件對進口假人小腿、頭頸部、軀干和大腿的外形進行了點云掃描，由于人體表面曲面復(fù)雜而且多樣，運用CATIA軟件進行通過多次修面進行重建［7－8］，最后建立符合要求的假人部件的三維模型，結(jié)合X光照片，該模型可作為后續(xù)進行部件進行加工開模的基礎(chǔ)［9－10］。

2 小腿的結(jié)構(gòu)研究

該假人有一條小腿，小腿由3個元件構(gòu)成:腳底板、薄壁管、膝關(guān)節(jié)套。薄壁管上覆蓋了一層模擬肌肉的聚氨酯材料，一端連著剛性腳板，另外一端連著一個鋼管。

剛性腳板模擬人的腳，薄壁管模擬小腿的腿骨，另外一端的鋼管也就是膝關(guān)節(jié)套模擬膝部關(guān)節(jié)。小腿可以如同正常人一樣可以往后運動，在膝關(guān)節(jié)套有兩個限位塊可限制小腿相對大腿的運動，標準要求小腿從直線位置能向后轉(zhuǎn)動120°。小腿最外層材料為聚氨酯，模擬小腿肌肉皮膚。

在標準中明確了小腿骨架的尺寸，但是小腿的內(nèi)部中骨架與肌肉之間的相對位置還是很不清楚，項目組通過X光照射來大致確定假人小腿“骨架”和“肌肉”的相對關(guān)系，如圖1所示，圖2為小腿三維模型。

圖1 小腿的X光照片

圖2 小腿三維模型圖

假人小腿的外部輪廓是不規(guī)則的，項目組通過德國海克斯康的三維軟件對小腿的外形進行點云掃描，通過得到小腿三維模型。結(jié)合小腿的X光照片，該三維模型可作為后續(xù)進行部件開模的基礎(chǔ)。

3 頭頸部的結(jié)構(gòu)研究

頭部是空心的，有一層玻璃鋼模擬頭骨，外面覆蓋一層聚氨酯。頸部有7個模擬頸椎的聚氨酯套環(huán)組成。頸部的剛度由軀干結(jié)構(gòu)中的滾子鏈的張緊程度來調(diào)整，滾子鏈的張緊程度決定了假人的身高。

由于頭型內(nèi)部結(jié)構(gòu)較簡單，沒有采用X光照射。同樣頭部的外形是不規(guī)則的，通過軟件對其中頭部的外形進行掃描，得到一個三維模型，作為開模的基礎(chǔ)，如圖3所示。標準中對頸部套環(huán)的尺寸有明確規(guī)定，為了便于制作，通過掃描，得到三維模型，可作為后續(xù)部件開模的基礎(chǔ)，如圖4所示。

圖3 頭部三維模型圖

圖4 頸部三維模型圖

4 軀干的結(jié)構(gòu)研究

軀干主要包括為一層模擬肌肉皮膚的聚氨酯材料和鋼骨架。鋼骨架包括以下元件:模擬軀干和臀部連接的關(guān)節(jié)部分的臀軸套管，模擬人體脊柱的滾子鏈、鏈式連接件，模擬胸骨的鋼板，模擬假人脊椎的轉(zhuǎn)動部分，模擬肋骨的鋼板。

在標準中明確了胸部軀干骨架的尺寸，但是其內(nèi)部中鋼骨架與肌肉之間的相對位置還是很不清楚，項目組通過X光照射來大致確定假人胸部“骨架”和“肌肉”的相對關(guān)系，如圖5所示。

圖5 X光照片

在標準中明確了胸部骨架元件的尺寸，但是胸部的外部輪廓是不規(guī)則的，同樣軀干的外形是不規(guī)則的，通過三維軟件對其外形進行掃描，得到三維模型，如圖6所示。結(jié)合胸部的X光照片，該三維模型可作為進行加工開模的基礎(chǔ)。

圖6 軀干三維模型圖

5 大腿的結(jié)構(gòu)研究

TNO－10假人有兩條大腿。大腿由三個元件組成:膝關(guān)節(jié)套、大腿桿、臀軸套。大腿干的兩端為模擬臀關(guān)節(jié)套和膝關(guān)節(jié)套之間的的鋼管。膝關(guān)節(jié)套是模擬小腿和大腿之間的關(guān)節(jié)部分。大腿桿是模擬大腿骨，臀軸套是模擬大腿和胯骨之間的關(guān)節(jié)連接。兩個大腿都是鋼骨架上覆蓋了一層模擬假人肌肉皮膚的聚氨酯材料。

在標準中明確了大腿骨架的尺寸，但是大腿的內(nèi)部中鋼骨架與肌肉之間的相對位置同樣通過X光照射來大致確定，如圖7所示。

同樣大腿的外部輪廓也是不規(guī)則的，通過三維軟件對其中一個大腿的外廓進行掃描，得到一個三維模型，如圖8所示。結(jié)合大腿的X光照片，該三維模型可作為進行加工開模的基礎(chǔ)。

圖7 大腿的X光照片

圖8 大腿三維模型圖

6 關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)研究

像真人一樣，TNO－10假人也通過關(guān)節(jié)將部件連接起來。有大腿和小腿連接的膝關(guān)節(jié)，軀干和大腿連接的臀關(guān)節(jié)，頭部和頸部的頸椎關(guān)節(jié)，并且對關(guān)節(jié)之間的摩擦力有嚴格規(guī)定。

這些相關(guān)關(guān)節(jié)的部件都有明確、規(guī)范的尺寸，按照材料要求選材和加工即可。

7 其他部件的結(jié)構(gòu)研究

除了上述的主要部件外，其余的張緊器總成、張緊板等部件參數(shù)都有標準明確規(guī)定。按照標準要求制作，涉及到的滾子鏈、螺栓和螺母等外購。

按照標準要求和X光照片制作了假人骨架，如圖9所示。圖10為最終的假人三維模型示意圖。

圖9 假人骨架

圖10 假人三維模型示意圖

8 總結(jié)

通過標準研究、X光照射對TNO－10型碰撞假人的各個部件結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)開展了研究，并建立部件的三維模型，最后形成假人的整體三維模型，為我們開展假人的研制打下了基礎(chǔ)。

［1］ 陳 爽，袁中凡，林大全，等.國產(chǎn)碰撞假人的設(shè)計與分析［J］.四川大學(xué)學(xué)報，2008，5(3):178－182.

［2］ 戢 敏，袁中凡，林大全.仿真假人人體參數(shù)的計算和分析［J］.中國測試技術(shù)，2003，7(4):37－39.

［3］ 余 翔，袁中凡，郭祚達，等.汽車正面碰撞工藝實驗假人的研制［J］.四川大學(xué)學(xué)報，2002，5(12):118－121

［4］ ECE R16，Uniform provisions concerning the approval of safety belts，restraint systems and isofix child restraint systems for occupants of power driven vehicles［S］.

［5］ GB 14166－2003，機動車成年乘員用安全帶和約束系統(tǒng)［S］.

［6］ 美國HUMANETICS公司.FTSS TNO－10假人使用手冊［R］，2008.

［7］ 劉永軍，胡宇群.基于CATIA的汽車車身曲面逆向造型［J］.工業(yè)技術(shù)，2007(31):18－19.

［8］ 馬瑞雪，王 欣，顏長征.基于CATIA軟件的TNO－10假人的研究［J］.機械研究與應(yīng)用，2012(5):159－160.

［9］ 吳建生.ABS材料零件的注塑工藝和模具設(shè)計［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

［10］ 劉 斌，聚氨酯塑料三維模具系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

Research of the Structure of TNO-10 Dummy

WANG Xin，MA Rui－xue
(Chongqing Vehicle Test＆Research Institute，National Coach Quality Supervision and Test Center，Chongqing 401122，China)

The research of the structure of TNO－10 dummy is put forwand which is used in safety belt dynamic test in detail.The dummy is divided into lower leg，head－neck，torso and upper leg，etc.Taking the lower leg as example，showing the manufacturing progress，and the base research reference is provided for TNO－10 manufacturing.

safety belt;dynamic test;crash dummy;structure

TH113;U464

A

1007－4414(2013)05－0059－02

2013－08－08

重慶市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局項目“TNO－10型汽車碰撞用測試假人的研究”(2010－KY－07)

王欣(1972－)，女，碩士，副研究員，主要從事汽車被動安全方面的研究。