專利名稱：組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人建立的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種交通運輸技術領域，尤其涉及的是一種組合式模塊化 變參數(shù)數(shù)字假人建立的方法。
背景技術：
人體無論是在哪種類型的碰撞中都屬于弱勢的一方，極易受到不同程度的傷 害，如何減小碰撞中給人體造成的傷害就成為大家所關注的問題，但采用真人或 尸體試驗都由于實驗對象的缺乏而難以大規(guī)模展開。于是各個國家紛紛發(fā)展各種 碰撞用數(shù)字化假人用以代替真實人體進行仿真試驗，但由于人體結構的復雜性， 目前所采用的數(shù)字假人分為兩類多剛體數(shù)字假人和有限元數(shù)字假人。多剛體數(shù) 字假人有建模簡單、仿真運算速度快等特點，但對人體損傷結果描述不夠精確； 有限元數(shù)字假人可以精細描述假人局部損傷，但建模復雜、仿真計算時間長，適 用范圍小。通過長期的人體碰撞仿真應用實踐，在對兩種假人模型優(yōu)缺點進行總 結的基礎上，我們選取國際通用的標準百分位多剛體數(shù)字假人和有限元數(shù)字假 人，在對兩種類型的數(shù)字假人進行結構拆分的基礎上，通過鉸鏈連接多剛體和有 限元部分，形成新的多剛體與有限元組合式模塊化數(shù)字假人。并進一步以組合式 模塊化變參數(shù)數(shù)字假人模型為基礎，通過多尺度參數(shù)化定制，生成各種身高、體 形特征的數(shù)字假人，其中重點是解決多剛體和有限元部分協(xié)調參數(shù)化定制的問 題。
經對現(xiàn)有技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，美國國家高速公路安全局(NSTHA)和日本 汽車研究所(JARI)規(guī)定了各自在進行汽車碰撞人體被動安全性仿真時采用的汽 車模型規(guī)格、數(shù)字假人模型結構姿態(tài)等，但所采用的數(shù)字假人多為多剛體假人， 并開發(fā)了少量有限元假人，多剛體數(shù)字假人不能全面反映人體損傷，有限元數(shù)字 假人仿真周期長，難以滿足仿真時間要求。專利申請?zhí)枮?00610029398. 7名稱
為"建立交通事故再現(xiàn)用中國成年男性數(shù)字假人的方法"，該技術提供一種仿真
5技術領域的建立交通事故再現(xiàn)用中國成年男性數(shù)字假人的方法，包括建立標準體
形的成年男性數(shù)字假人多剛體假人模型，并對模型參數(shù)進行定制，可以模擬人車
碰撞的接觸過程，提高計算速度，充分考察數(shù)字假人的長時間運動過程，滿足中
國事故鑒定的實際需要，但所采用數(shù)字假人模型均為橢球體多剛體模型，不能反
映數(shù)字假人局部損傷，而且僅局限于交通事故領域的男性數(shù)字假人，缺乏普遍性
和通用型。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足與缺陷，提供一種組合式模塊化變 參數(shù)數(shù)字假人建立的方法，本發(fā)明通過平衡多剛體數(shù)字假人和有限元數(shù)字假人結 構，能夠充分反映人體局部損傷情況，尤其是在即需要關注人體局部損傷又要進 行碰撞仿真應用技術領域，可以解決純粹多剛體數(shù)字假人和有限元數(shù)字假人存在 的問題。
本發(fā)明包括以下步驟
步驟l、建立不同身體部位局部有限元的數(shù)字假人模型，包含對標準假人模 型的拆分、組合和接觸特性定義。
步驟1中所述的有限元的數(shù)字假人模型，建立的方法如下
(1) 首先，通過標準多剛體假人模型拆分模塊對HybridIII型國際通用男性 50百分位和女性05百分位兩種標準多剛體假人模型，按照頭部、上肢、下肢、 軀干進行拆分，包含多剛體實體的拆分、多剛體之間連接鉸鏈的拆分、各實體間 約束的拆分三部分。通過拆分形成的鉸鏈和約束，可以與其他部位的多剛體或有 限元模型進行任意組合。
(2) 同時，通過標準有限元假人模型拆分模塊對HUMOS國際標準整體有限元 假人模型，按照人體頭部、上肢、下肢、軀干進行拆分，包含有限元體節(jié)點的拆 分、有限元體面和體單元的拆分兩部分。通過對拆分形成的人體各部位連接處， 參照多剛體有限元拆分設置進行鉸鏈和約束定義，可以與其他部位的有限元或多 剛體模型進行任意組合。
(3) 然后，利用上述拆分形成的局部假人模型，通過多剛體與有限元局部人 體數(shù)字模型組合模塊，采用鉸鏈連接和約束的方法將所拆分的多剛體部分模型和 有限元體部分模型連接起來，鉸鏈和約束力的設置均與實驗得到的人體關節(jié)力相一致，具體參數(shù)可參照標準假人模型參數(shù)定義，并通過后續(xù)假人模型運動學和動 力學實驗對模型受力特性進行準確性驗證。
(4)最后，通過多剛體與有限元體接觸定義模塊對數(shù)字假人用多剛體-有限 元體接觸算法取代多剛體-多剛體接觸算法和有限元體-有限元體接觸算法，通過
對接觸算法的重新定義，保證人體各部位不同類型實體間的正常接觸，使組合式 模塊化變參數(shù)數(shù)字假人接觸特性與真實人體接觸特性相一致。
步驟2、對數(shù)字假人模型的參數(shù)進行個性化定義，即進行組合式模塊化變參 數(shù)數(shù)字假人參數(shù)化定制，包括體形參數(shù)定制和運動姿態(tài)參數(shù)定制。
步驟2中所述的體形參數(shù)定制和運動姿態(tài)參數(shù)定制，定制方法如下
(1)首先，以數(shù)字假人結構定制生成的組合式假人模型為數(shù)據(jù)輸入，通過數(shù) 字假人體形參數(shù)定制模塊對數(shù)字假人針對具體碰撞試驗仿真要求，基于人體測量 學的參數(shù)縮放技術，以標準組合式假人模型參數(shù)為基礎，包括幾何尺寸縮放、 傳感器位置縮放、質量和轉動慣量縮放、其它特性(剛度，摩擦，阻尼和遲滯) 縮放、接觸特性縮放、受力模型縮放等。其中身高、體形參數(shù)定制采用比例縮放 的方式，即對標準數(shù)字假人的身高和體形乘以縮放比例因子的方式實現(xiàn)。
采用比例縮放的方式，是指
采用不同尺度的因素，定制指定的X， Y禾卩Z方向。此外，不同尺度的因素 適用于不同的身體部位，因此幾何模型可以適應自由理想的體型特征參數(shù)，通過 /,， /，， /2定義了不同的尺度因素。
i =i， ；iv=i， 4=玍 ①
公式①中，4、 ^、 ^分別為三個方向上假人模型縮放尺度，L， ^， 4
為縮放前假人各結構尺度因素，L， ~， /。為縮放后假人各結構尺度因素。此
外，以幾何形式定義所有其他模型參數(shù)。該尺度假設在一定限度內，材料性能不 依賴于主體的大小而變化。
對質量m的縮放進行統(tǒng)一的定義，假定初始假人模型和縮放后的假人密度 相同，縮放比例為
7^ =義:A4 ② 附s
其他參數(shù)以此為參考進行縮放，例如一個表面和與之平行面的非線性接觸
特征的縮放，對于非線性的撓度d和力F，分別用不同縮放比例系數(shù)
1 =義—，^ = 4人 ③
在某些情況下x， y和z坐標軸沒有獨特的定義，如接觸函數(shù)可能被用于各 種不同方向，此時縮放系數(shù)入被定義為-
々=^sx ④
為非線形剛度函數(shù)的撓度d和力F定義縮放系數(shù) ^ F ，
，=^， A = ;i,2 ⑤ 《 K
(2)然后，以體形參數(shù)定制模型所定制的組合式數(shù)字假人為基礎，根據(jù)仿真 中人體的實際運動姿態(tài)，通過數(shù)字假人運動姿態(tài)參數(shù)定制模塊，以對不同體形特 征的真實人體關節(jié)力測量結果為依據(jù)，等比例轉化為假人模型關節(jié)鉸鏈上的關節(jié) 力，對數(shù)字假人關節(jié)力進行設置，使數(shù)字假人模型在站立或行進中都能保持平衡。 然后通過基于步態(tài)和步速的真實人體運動仿真，從數(shù)字假人行進的角度體現(xiàn)人體 運動狀態(tài)對仿真結果的影響，設置數(shù)字假人的各種運動姿態(tài)。
步驟3、進行組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人檢測驗證，對所生成的假人模型 進行運動學和動力學驗證和參數(shù)修正。
步驟3中所述的進行運動學驗證和動力學驗證，驗證方法如下
(1)數(shù)字假人運動學特性試驗驗證模塊首先對志愿者行進狀態(tài)進行拍攝，使
用數(shù)碼攝像機，分辨率應不低于500萬像素，如果使用非量測用攝像機進行拍攝， 應對相機進行校準。通過錄像解析的方法得到志愿者行進過程中身體各部位及各 關節(jié)的位移、速度、加速度。然后，以志愿者相同的步速和步幅作為輸入，對組 合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人進行運動仿真，得到假人身體各部位及各關節(jié)的位 移、速度、加速度。最后，將志愿者真實人體實驗得到的運動參數(shù)和假人模型仿 真得到的運動參數(shù)進行比較，驗證組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人模型運動特性的 正確性，考慮仿真誤差，數(shù)字假人身體各部位及各關節(jié)的位移、速度、加速度輸出誤差允許范圍限定為95%。
(2)真實交通事故案例動力學特性驗證模塊首先采集汽車與數(shù)字假人碰撞 真實交通事故案例，對案巻中汽車速度、碰撞點位置、數(shù)字假人損傷進行分析。 然后，建立與真實交通事故案例相同車型的汽車多剛體模型，以案巻中的汽車速 度和人車相對位置為輸入，對汽車與組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人進行碰撞仿 真，得到假人各部位的碰撞損傷參數(shù)。最后，將真實交通事故案例人體損傷檢驗 報告中人體損傷評定指標和車人碰撞仿真得到的人體損傷參數(shù)進行比較，驗證組 合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人模型動力學特性的正確性，考慮仿真誤差，數(shù)字假人 拋距與實際事故中行人拋距誤差允許范圍為90%，同時可以為組合式模塊化變 參數(shù)數(shù)字假人模型動力學及材料參數(shù)改進提供依據(jù)。
步驟4、通過驗證的數(shù)字假人模型為增強通用性，組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字 假人格式轉換，對模型進行標準化定義.
步驟4中所述的對模型進行標準化定義，方法如下
(1) 數(shù)字假人格式轉換接口模塊對組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人在各種類 型的碰撞仿真應用中提供一個標準化的格式定義，包含模型尺寸參數(shù)標準化、模
型質量參數(shù)標準化、模型約束及邊界條件標準化，尺寸單位"m"，比例1:1，
質量單位"kg"。
(2) 數(shù)字假人仿真應用模塊將組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人與具體仿真環(huán) 境中的其它實體接觸進行標準化定義，通過C0NTACT—E函數(shù)定義受力-變性的關 系曲線，具體參數(shù)由具體應用環(huán)境確定。
本發(fā)明以國際通用標準碰撞假人模型為基礎，能夠有效平衡多剛體數(shù)字假 人和有限元數(shù)字假人的優(yōu)缺點，即能保證組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人結構及運 動形態(tài)與真實人體特征的一致性，又解決了單一結構數(shù)字假人應用中存在的問 題，尤其適用于即需要關注局部人體損傷，又需要進行反復優(yōu)化迭代的碰撞仿真 領域。此外，通過對組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人進行參數(shù)化定制，使以西方人 人體特征參數(shù)為標準的數(shù)字假人結構，能夠更加適用于中國人人體特征，在針對 國內 一些人體仿真應用中得到更加準確的結果。
本發(fā)明與現(xiàn)有實現(xiàn)技術相比，可以實現(xiàn)在包含人體損傷的碰撞仿真中，對 人體局部損傷的評定，同時保證足夠的計算效率。與目前所采用的純粹多剛體數(shù)字假人相比，可以將數(shù)據(jù)分析精度提高20%以上，與目前所采用的純粹有限元數(shù) 字假人相比，根據(jù)有限元部分在人體中所占比例，可以提高計算效率45%以上。 此外，本發(fā)明根據(jù)具體的仿真需求具有人體特征參數(shù)定義功能，人體體形及運動 狀態(tài)參數(shù)均與真實試驗相一致，解決了標準假人模型與試驗用個體假人體形特征 不匹配的問題。
圖1建立組合式模塊化變參數(shù)新型數(shù)字假人實施框圖
圖2標準百分位多剛體假人模型拆分示意圖
圖3標準碰撞用有限元假人模型拆分示意圖
圖4多剛體與有限元局部人體數(shù)字模型組合示意圖
圖5組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人參數(shù)化定制示意圖
圖6錄像解析實驗數(shù)字假人運動學特性驗證示意圖
圖7真實交通事故案例數(shù)字假人動力學特性驗證示意圖
具體實施例方式
以下結合附圖對本發(fā)明實施例進行詳細說明以本發(fā)明技術方案為前提進 行實施，給出了詳細的實施方法和過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。
本發(fā)明的組合式模塊化變參數(shù)新型數(shù)字假人建模、試驗驗證及應用方法包 含組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人結構定制、組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人參數(shù)化 定制、組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人實驗驗證、組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人格
式轉換及仿真應用四個異步流程。如圖1所示，包含以下步驟
首先，在國際通用假人模型基礎上建立組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人，可 以對組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人進行參數(shù)化定制，形成各種符合中國人體特征 的數(shù)字假人模型。然后，通過錄像解析實驗的方法對假人運動特性進行驗證，并 通過實際交通事故案例對數(shù)字假人模型進行驗證，證明數(shù)字假人模型結構和力學 特性都與中國人相符合。最后，將數(shù)字假人通過模型格式轉換，應用于交通事故 再現(xiàn)、人體跌落分析、拳擊體育等諸多基于局部人體損傷的碰撞仿真領域。具體
實施步驟如下
1、組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人結構定制首先對國際標準百分位多剛體假人模型和有限元假人模型分別按照人體頭部、上肢、下肢、軀干進行拆分。然后, 通過對所拆分出來的人體各部位的重新定義，生成標準格式的連接接口，可以與 其他部位的多剛體和有限元模型進行任意組合。最后，通過鉸鏈連接和約束的方 法將人體多剛體部分和有限元體部分連接起來。此外，用多剛體-有限元體接觸 算法取代多剛體-多剛體接觸算法和有限元體-有限元體接觸算法，通過對接觸算 法的重新定義，保證人體各部位的正常接觸。
由組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人結構定制充分考慮了有限元假人反映人體 傷害和多剛體假人計算時間短兩方面優(yōu)勢，根據(jù)不同仿真需求對兩者進行權衡， 得到組合式數(shù)字化假人。該模型作為組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人參數(shù)化定制的 輸入，對模型的結構參數(shù)和體形參數(shù)進行定制，使之與真實試驗中人體特征更加 吻合。
2、 組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人參數(shù)化定制首先針對具體碰撞試驗仿真要
求，以結構定制結果為輸入，對組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人身高、體重、局部 特征進行特別定制。然后進行組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人模型運動姿態(tài)參數(shù)定 制，包含保持數(shù)字假人自平衡的復雜關節(jié)建模和基于步態(tài)和步速的數(shù)字假人運動 仿真兩方面內容。
通過組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人結構定制和參數(shù)化定制得到的假人模 型，可以在結構上充分滿足各種碰撞仿真中人體特征的定制需要，但由于假人模 型的拆分與組合，使組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人模型的內部特性發(fā)生了改變，
需要對最終定制結果進行運動學和動力學試驗驗證，使之與人體運動和動力學特 性相一致。
3、 組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人實驗驗證對組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人 運動學和動力學特性的試驗驗證，首先通過對志愿者行進狀態(tài)進行錄像解析結果 與以志愿者相同的步速和步幅作為輸入，對組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人進行運 動仿真結果想比較，驗證組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人模型運動特性的正確性， 同時可以為組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人模型運動學參數(shù)改進提供依據(jù)。然后通 過采集汽車與數(shù)字假人碰撞真實交通事故案例，建立對汽車與組合式模塊化變參
數(shù)數(shù)字假人進行碰撞仿真模型進行仿真計算，得到假人各部位的碰撞損傷參數(shù)， 將真實交通事故案例人體損傷檢驗報告人體損傷評定指標和車人碰撞仿真得到
11的人體損傷參數(shù)進行比較，驗證組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人模型動力學特性的 正確性，同時可以為組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人模型動力學及材料參數(shù)改進提 供依據(jù)。
經過試驗驗證的組合式模塊化便參數(shù)數(shù)字假人在結構上和運動學、動力學 特性方面都有很高的可靠性，可以作為包含人體損傷的碰撞仿真的模型輸入，為 碰撞過程提供人體運動學、動力學及損傷特性輸出。
4、組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人格式轉換及仿真應用方法是對組合式模塊
化變參數(shù)數(shù)字假人在各種類型的碰撞仿真應用中提供一個標準化的格式定義，可
以將模型任意轉換為各種仿真環(huán)境輸入文件格式，以滿足多種運動和動力學狀態(tài)
人體碰撞損傷仿真計算。將不同格式的組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人與具體仿真
環(huán)境中的其它實體接觸而進行的標準化定義，可以支持不同碰撞環(huán)境下的人體損
傷仿真計算。
以下對本發(fā)明實施例作進一步的說明
標準百分位多剛體假人模型拆分示例如圖2所示，首先選取與仿真中人體
特征相符的標準百分位多剛體假人模型，本專利采用國際通用的男性50百分位 假人模型和女性05百分位假人模型，然后對國際標準百分位多剛體假人模型按 照人體頭部、上肢、下肢、軀干進行拆分。主要包含多剛體實體的拆分方法、多 剛體之間連接鉸鏈的拆分方法、各實體間約束的拆分方法三方面內容。通過對所 拆分出來的人體各部位的重新定義，生成標準格式的連接接口，可以與其他部位 的多剛體和有限元模型進行任意組合。
標準碰撞用有限元假人模型拆分示例如圖3所示，首先選取與仿真中人體 特征相符的標準百分位有限元假人模型，本專利采用碰撞領域常用的50百分位 有限元假人模型，然后按照人體頭部、上肢、下肢、軀干進行拆分的方法。主要 包含有限元體節(jié)點的拆分方法、有限元體面和體單元的拆分方法兩方面內容。通 過對所拆分出來的人體各部位的重新定義，生成標準格式的連接接口，可以與其 他部位的多剛體和有限元模型進行任意組合。
多剛體與有限元局部人體數(shù)字模型組合示例如圖4所示，以腿部和胸部為 例，通過鉸鏈連接和約束的方法將人體多剛體部分和有限元體部分連接起來，鉸 鏈和約束力的設置均與實驗得到的人體關節(jié)力相一致，并通過組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人實驗對模型受力特性進行準確性驗證。此外，還需要進行組合后多剛 體與有限元體之間接觸特征定義，即用多剛體-有限元體接觸算法取代多剛體-多剛體接觸算法和有限元體-有限元體接觸算法，通過對接觸算法的重新定義，
保證人體各部位的正常接k，并通過基于統(tǒng)計實驗的接觸參數(shù)校正，保證組合式
模塊化變參數(shù)數(shù)字假人接觸特性與真實人體接觸特性相一致。
組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人參數(shù)化定制示例如圖5所示，對組合式模塊 化變參數(shù)數(shù)字假人針對具體碰撞試驗仿真要求，對其身高、體重、體形和局部特 征進行特別定制。
錄像解析實驗運動特性解析示例如圖6所示，是對組合式模塊化變參數(shù)數(shù) 字假人運動學特性的試驗驗證，首先對志愿者行進狀態(tài)進行拍攝，然后通過錄像 解析的方法得到志愿者行進過程中身體各部位及各關節(jié)的位移、速度、加速度。 以志愿者相同的步速和步幅作為輸入，輸入曲線示例如圖6 (a)所示，對組合 式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人進行運動仿真，得到假人身體各部位及各關節(jié)的位移、 速度、加速度，行人運動狀態(tài)仿真結果如圖6 (b)所示。將志愿者真實人體實 驗得到的運動參數(shù)和假人模型仿真得到的運動參數(shù)進行比較，驗證組合式模塊化 變參數(shù)數(shù)字假人模型運動特性的正確性，同時可以為組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假 人模型運動學參數(shù)改進提供依據(jù)。
真實交通事故案例車人碰撞仿真動力學特性驗證示例如圖7所示，是對組 合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人動力學特性的試驗驗證，首先采集汽車與數(shù)字假人碰 撞真實交通事故案例，對案巻中汽車速度、碰撞點位置、數(shù)字假人損傷進行分析。 建立與真實交通事故案例相同車型的汽車多剛體模型，以案巻中的汽車速度和人 車相對位置為輸入，對汽車與組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人進行碰撞仿真，得到 假人各部位的碰撞損傷參數(shù)，碰撞過程仿真結果如圖7所示。將真實交通事故案 例人體損傷檢驗報告人體損傷評定指標和車人碰撞仿真得到的人體損傷參數(shù)進 行比較，驗證組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人模型動力學特性的正確性，同時可以 為組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人模型動力學及材料參數(shù)改進提供依據(jù)。
權利要求
1、一種組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人建立的方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1、建立不同身體部位局部有限元的數(shù)字假人模型，包含對標準假人模型的拆分、組合和接觸特性定義；步驟2、對數(shù)字假人模型的參數(shù)進行個性化定義，即進行組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人參數(shù)化定制，包括體形參數(shù)定制和運動姿態(tài)參數(shù)定制；步驟3、進行組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人檢測驗證，對所生成的假人模型進行運動學和動力學驗證和參數(shù)修正；步驟4、通過驗證的數(shù)字假人模型為增強通用性，組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人格式轉換，對模型進行標準化定義。
2、 根據(jù)權利要求1所述的組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人建立的方法，其特 征是，步驟1中所述的有限元的數(shù)字假人模型，建立的方法如下(1) 首先，對HybridIII型國際通用男性50百分位和女性05百分位兩種標準 多剛體假人模型，按照頭部、上肢、下肢、軀干進行拆分，包含多剛體實體的拆 分、多剛體之間連接鉸鏈的拆分、各實體間約束的拆分三部分；(2) 同時，對HUM0S國際標準整體有限元假人模型，按照人體頭部、上肢、 下肢、軀干進行拆分，包含有限元體節(jié)點的拆分、有限元體面和體單元的拆分兩 部分；(3) 然后，利用上述拆分形成的局部假人模型，采用鉸鏈連接和約束的方法 將所拆分的多剛體部分模型和有限元體部分模型連接起來，鉸鏈和約束力的設置 均與實驗得到的人體關節(jié)力相一致，具體參數(shù)可參照標準假人模型參數(shù)定義，并 通過后續(xù)假人模型運動學和動力學實驗對模型受力特性進行準確性驗證；(4) 最后，對數(shù)字假人用多剛體-有限元體接觸算法，通過對接觸算法的重 新定義，保證人體各部位不同類型實體間的正常接觸，使組合式模塊化變參數(shù)數(shù) 字假人接觸特性與真實人體接觸特性相一致。
3、 根據(jù)權利要求2所述的組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人建立的方法，其特 征是，步驟2中所述的體形參數(shù)定制和運動姿態(tài)參數(shù)定制，定制方法如下(1)首先，以數(shù)字假人結構定制生成的組合式假人模型為數(shù)據(jù)輸入，對數(shù)字假人針對具體碰撞試驗仿真要求，基于人體測量學的參數(shù)縮放技術，以標準組合 式假人模型參數(shù)為基礎，其中身高、體形參數(shù)定制采用比例縮放的方式，即對標 準數(shù)字假人的身高和體形乘以縮放比例因子的方式實現(xiàn)；(2)以體形參數(shù)定制模型所定制的組合式數(shù)字假人為基礎，根據(jù)仿真中人體 的實際運動姿態(tài)，以對不同體形特征的真實人體關節(jié)力測量結果為依據(jù)，等比例 轉化為假人模型關節(jié)鉸鏈上的關節(jié)力，對數(shù)字假人關節(jié)力進行設置，使數(shù)字假人 模型在站立或行進中都能保持平衡；然后通過基于步態(tài)和步速的真實人體運動仿 真，從數(shù)字假人行進的角度體現(xiàn)人體運動狀態(tài)對仿真結果的影響，設置數(shù)字假人 的各種運動姿態(tài)。
4、根據(jù)權利要求3所述的組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人建立的方法，其特 征是，所述的采用比例縮放的方式，是指采用不同尺度的因素，定制指定的X， Y和Z方向，幾何模型適應自由理想 的體型特征參數(shù)，通過/ 《，"定義了不同的尺度因素A丄，人丄，4丄 ， / 少/ /上式中，義,、人、4分別為三個方向上假人模型縮放尺度，L， ^， 4為縮放前假人各結構尺度因素，/ ， ~， ^為縮放后假人各結構尺度因素； 此外，以幾何形式定義所有模型參數(shù)，對質量m的縮放進行統(tǒng)一的定義，假定初始假人模型和縮放后的假人密度 相同，縮放比例為一個表面和與之平行面的非線性接觸特征的縮放，對于非線性的撓度d和 力F，分別用不同縮放比例系數(shù)<formula>formula see original document page 3</formula>當接觸函數(shù)可能被用于各種不同方向，此時縮放系數(shù);i,被定義為義/" = ^義;c A少A， ，為非線形剛度函數(shù)的撓度d和力F定義縮放系數(shù)
5、 根據(jù)權利要求1所述的組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人建立的方法，其特征是，步驟3中所述的進行運動學驗證和動力學驗證，驗證方法如下(1) 首先對志愿者行進狀態(tài)進行拍攝，使用數(shù)碼攝像機，通過錄像解析的方 法得到志愿者行進過程中身體各部位及各關節(jié)的位移、速度、加速度；然后，以志愿者相同的步速和步幅作為輸入，對組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字 假人進行運動仿真，得到假人身體各部位及各關節(jié)的位移、速度、加速度；最后，將志愿者真實人體實驗得到的運動參數(shù)和假人模型仿真得到的運動 參數(shù)進行比較，驗證組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人模型運動特性的正確性，考慮 仿真誤差，數(shù)字假人身體各部位及各關節(jié)的位移、速度、加速度輸出誤差允許范 圍限定為95%;(2) 首先采集汽車與數(shù)字假人碰撞真實交通事故案例，對案巻中汽車速度、 碰撞點位置、數(shù)字假人損傷進行分析；然后，建立與真實交通事故案例相同車型的汽車多剛體模型，以案巻中的 汽車速度和人車相對位置為輸入，對汽車與組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人進行碰 撞仿真，得到假人各部位的碰撞損傷參數(shù)；最后，將真實交通事故案例人體損傷檢驗報告中人體損傷評定指標和車人 碰撞仿真得到的人體損傷參數(shù)進行比較，驗證組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人模型 動力學特性的正確性，考慮仿真誤差，數(shù)字假人拋距與實際事故中行人拋距誤差 允許范圍為90%，同時可以為組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人模型動力學及材料 參數(shù)改進提供依據(jù)。
6、 根據(jù)權利要求1所述的組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人建立的方法，其特 征是，步驟4中所述的對模型進行標準化定義，方法如下(1) 對組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人在各種類型的碰撞仿真應用中提供一個 標準化的格式定義，包含模型尺寸參數(shù)標準化、模型質量參數(shù)標準化、模型約束及邊界條件標準化，尺寸單位"m"，比例l: 1，質量單位"kg";(2) 將組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人與具體仿真環(huán)境中的其它實體接觸進行 標準化定義，通過CONTACT一E函數(shù)定義受力-變性的關系曲線。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種交通運輸技術領域，尤其涉及的是一種組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人建立的方法。包括以下步驟建立不同身體部位局部有限元的數(shù)字假人模型，包含對標準假人模型的拆分、組合和接觸特性定義；對數(shù)字假人模型的參數(shù)進行個性化定義，即進行組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人參數(shù)化定制，包括體形參數(shù)定制和運動姿態(tài)參數(shù)定制；進行組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人檢測驗證，對所生成的假人模型進行運動學和動力學驗證和參數(shù)修正；通過驗證的數(shù)字假人模型為增強通用性，組合式模塊化變參數(shù)數(shù)字假人格式轉換，對模型進行標準化定義。本發(fā)明能夠充分反映人體局部損傷情況，可以解決純粹多剛體數(shù)字假人和有限元數(shù)字假人存在的問題。
文檔編號G06F17/50GK101604348SQ20091005490
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月16日 優(yōu)先權日2009年7月16日
發(fā)明者張曉云, 柴象海, 金先龍 申請人:上海交通大學