滕義壯，于濤*，施龍利，寇建閣，祁金柱

（1.煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005；2.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

引言

中西方人體幾何測(cè)量學(xué)尺寸中前臂與大臂長(zhǎng)度尺寸存在較大差異，而坐高尺寸差異較小，真實(shí)事故中，中國(guó)乘員的乘坐位置相對(duì)于西方乘員的乘坐位置要靠前，這樣導(dǎo)致中國(guó)乘員距離方向盤和其他內(nèi)部接觸位置的距離相對(duì)較短，從而有可能增加乘員傷害風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)中西方乘員在碰撞過程中損傷差異進(jìn)行研究，將有利于提高我國(guó)汽車乘員約束系統(tǒng)的安全性。

人體數(shù)值建模主要有幾何重構(gòu)和網(wǎng)格變形兩種方法。李志剛等人[1]通過CT掃描數(shù)據(jù)，建立了三個(gè)月以下不同年齡段兒童頭部數(shù)值模型，并對(duì)建立的模型進(jìn)行了仿真度驗(yàn)證。曹立波等人[2]基于下肢螺旋CT掃描，保留主要解剖學(xué)結(jié)構(gòu)建立了中國(guó)50百分位男性小腿有限元模型。

雷旦等人[3]對(duì)一名男性志愿者進(jìn)行了螺旋掃描，建立了具有解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的人體胸部、腹部及下肢數(shù)值模型。日本豐田汽車集團(tuán)與豐田中央研究院[4]開發(fā)了一系列代表西方人體尺寸的人體數(shù)值模型，該系列模型包括站姿和坐姿兩種姿態(tài)，每種姿態(tài)包括三種不同人體尺寸，分別為5百分位女性、50百分位男性和95百分位男性。余志剛等人[5]基于HybridⅢ50百分位男性假人模型，利用比例縮放方法建立了中國(guó)50百分位男性假人模型。Yang[6]等人基于THUMSD-F05模型，利用比例縮放方法建立了代表中國(guó)5百分位女性人體特征的人體數(shù)值模型。然而，目前對(duì)于代表中國(guó)50百分位男性人體特征的人體數(shù)值模型建模，還缺乏相關(guān)研究。

本文以 THUMS(AM50)模型為基準(zhǔn)模型，通過比例縮放方法建立了中國(guó)50百分位男性人體數(shù)值模型。

1 人體數(shù)值模型建立

本文采用美國(guó) Altair軟件公司提供的有限元前處理軟件Hypermesh中Hypermorph模塊下的縮放體方法對(duì)人體有限元模型進(jìn)行縮放。該縮放方法首先通過建立一個(gè)六邊形縮放體，將需要縮放的網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)包圍住，在縮放體建立的同時(shí)可以在縮放體的角點(diǎn)及其邊緣建立控制點(diǎn)。其次，建立該縮放體的局部坐標(biāo)系以及確定每個(gè)方向的縮放因子。最后，利用縮放因子對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行縮放，從而改變縮放體的形狀，隨之改變縮放體內(nèi)部結(jié)點(diǎn)的位置，以達(dá)到網(wǎng)格縮放的目的。

1.1 尺寸獲取與縮放因子計(jì)算

表1 縮放因子

為了確定縮放過程中使用的縮放因子，需要確定縮放使用基本模型和縮放得到目標(biāo)模型的關(guān)鍵人體測(cè)量學(xué)尺寸。因此，首先從2009年中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院三千中國(guó)成年人三維測(cè)量尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)中選取了50百分位男性人體20個(gè)人體測(cè)量學(xué)尺寸作為目標(biāo)模型的關(guān)鍵人體測(cè)量學(xué)尺寸。然后，將基本模型導(dǎo)入有限元前處理軟件中，采用與標(biāo)準(zhǔn)化研究院數(shù)據(jù)庫(kù)相似的測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)，對(duì)基本模型進(jìn)行尺寸測(cè)量，從而得到基本模型相應(yīng)的20個(gè)人體測(cè)量學(xué)關(guān)鍵尺寸。最后，將對(duì)應(yīng)尺寸數(shù)據(jù)相除，得到4相應(yīng)尺寸的縮放因子，如表1所示。

1.2 人體數(shù)值模型各區(qū)域縮放

在縮放過程中，需要先對(duì)基本模型進(jìn)行區(qū)域劃分，然后對(duì)每個(gè)不同的區(qū)域應(yīng)用不同的縮放因子進(jìn)行縮放?？紤]到模型縮放的精度要求，本文將基本模型劃分為25個(gè)區(qū)域，如表2所示。對(duì)基本模型進(jìn)行區(qū)域劃分后，然后在每個(gè)區(qū)域內(nèi)建立該區(qū)域縮放使用縮放體、控制點(diǎn)和局部坐標(biāo)系，并對(duì)該區(qū)域進(jìn)行縮放，部分區(qū)域縮放過程如圖1所示。

表2 區(qū)域編號(hào)及名稱

圖1 部分縮放區(qū)域、縮放體及局部坐標(biāo)系

2 尺寸誤差分析及網(wǎng)格質(zhì)量檢查

上述模型縮放過程完成后便得到初始目標(biāo)模型。在將該模型用于仿真分析前還需對(duì)該模型的尺寸進(jìn)行誤差分析以及網(wǎng)格質(zhì)量檢查，以達(dá)到仿真分析要求。

2.1 模型尺寸誤差分析

尺寸誤差分析過程中，采用絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差兩個(gè)參數(shù)，其計(jì)算公式如下：

式中，W表示絕對(duì)誤差，Dm表示基于初始目標(biāo)模型測(cè)量得到的測(cè)量尺寸，Dc表示中國(guó)人體尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)中的人體測(cè)量學(xué)尺寸，即CNIS尺寸。δ表示尺寸相對(duì)誤差。絕對(duì)誤差W、測(cè)量尺寸Dm以及CNIS尺寸Dc的單位為mm，相對(duì)誤差δ為無(wú)量綱的量。

尺寸誤差分析結(jié)果如表3所示，各尺寸相對(duì)誤差絕對(duì)值均在7.5%以內(nèi)，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，可以認(rèn)為初始目標(biāo)模型尺寸滿足分析要求。

表3 尺寸誤差

2.2 網(wǎng)格質(zhì)量檢查

尺寸誤差分析完成后還需將初始目標(biāo)模型導(dǎo)入到有限元前處理軟件，對(duì)模型的網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，結(jié)果如表4所示。從表中可以看出初始目標(biāo)模型與基本模型網(wǎng)格質(zhì)量變化不大，因此可以認(rèn)為網(wǎng)格質(zhì)量符合分析要求。

表4 網(wǎng)格質(zhì)量

西方50百分位男性人體模型縮放前后對(duì)比如圖2所示，其中左側(cè)模型為西方50百分位男性，右側(cè)模型為縮放后中國(guó)50百分位男性。

圖2 模型縮放前后對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了中國(guó) 50百分位男性人體有限元模型的建立過程。獲得的最終目標(biāo)人體有限元模型的20個(gè)關(guān)鍵人體測(cè)量學(xué)尺絕對(duì)誤差的絕對(duì)值均在40mm以內(nèi)，相對(duì)誤差絕對(duì)值均小于7.5%，初始目標(biāo)模型與基本模型網(wǎng)格質(zhì)量變化不大。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，可以認(rèn)為該模型滿足基準(zhǔn)模型要求，能夠代表中國(guó)50百分位男性人體測(cè)量學(xué)尺寸。

[1] 李志剛,胡敬文,張金換,等. 基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的參數(shù)化兒童頭部有限元模型的建立及碰撞事故再現(xiàn)[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012(11):1631-1637.

[2] 曹立波, 杜現(xiàn)平,張冠軍,等.中國(guó) 50百分位男性小腿有限元模型的建立與驗(yàn)證[J].汽車工程,2015（Vol.37）No.11:1291-1297.

[3] 雷旦.應(yīng)用于汽車碰撞安全研究的人體胸部有限元模型的建立與仿真驗(yàn)證[D].華南理工大學(xué),2011.

[4] 豐田汽車公司. THUMS使用手冊(cè)[EB/OL]. (2011-10-01)[2017-04-20].

[5] 余志剛.中國(guó)50百分位人體與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)假人正面碰撞響應(yīng)差異的研究[D]. 湖南大學(xué),2008.

[6] YANG J, GHOSH P, ZHANG J, et al. Analysing Differences of Dynamic Responses and Injury Risks of 5th Percentile Female Occupants during Frontal Impact using FE-Human Body Models Representing Eastern (Chinese) and Western (US/EU) Human Body Dimensions: IRCOBI Asia, 2016[C].