（机械设计及理论专业论文）基于工业设计的汽车正面碰撞试验假人研究及应用.pdf

四川大学碛士学位论文中文摘要 基于工业设计的汽车碰撞试验假人研究及应用 机械设计及理论专业 研究生缪丽指导教师周兵 汽车碰撞试验假人通过模仿人的外形和内部结构为人体损伤研究、车体变 形对乘员生存空间的影响以及汽车综合安全性评价提供科学依据，是“万死不 辞的真人的替身”。目前，我国在碰撞试验中使用的假人主要为欧美等国家生产 的具有欧美人尺寸特征的假人，测量数据不能真实反映我国人体损伤状况，对 我国人民的安全带来巨大的隐患。开发具有中国人体特征和独立知识产权的假 人产品，实现中国假人的国产化和市场化对我国汽车安全性研究具有重要的社 会意义和科学价值。 现代工业设计思想、理论、方法的引入，为我国假人的研究、开发、生产 提供了新的思路。与假人传统开发模式相比，新的工业设计开发模式充分运用 了“以人为本”理念，以现代制造技术为支撑，紧密结合国情，围绕用户需求， 实现假人开发设计、制造、市场三方面的紧密结合，使假人产品更符合市场需 求。 在具体的开发中，选择应用范围最广的成年男子第5 0 t h 百分位汽车正面碰 撞试验假人作为开发对象。在学科上，发挥现代工业设计的学科交叉优势，综 合运用现代制造技术、计算机c a d 技术、现代管理技术等，在特定的使用环境 中对假人进行设计，把假人作为稳定受体，研究“人体一机器一环境”系统各要 素的相互影响和相互作用：在技术路线上，本着满足用户需求和方便制造推广 四川大学硕士学位论文中文摘要 征建模技术建立三维可视假人模型，运用层级装配方法对各个零件进行装配。 三维模型的建立一方面可以实现计算机的辅助设计，提高设计效率；另一方面 能向用户直观地展示产品，完成用户与假人的初步交流。 假人最终具有相似的中国人体参数特征、高度仿生的内部结构和外部形态、 精确的数据测量性，比以前的假人产品更具市场竞争力。经实际碰撞试验应用 表明，该假人能基本满足用户对产品功能和审美的需求，可以替代进口产品。 关键词：工业设计汽车正面碰撞试验假人以人为本特征建模 婴型查堂堡主堂垡兰塞萎皇塑墨 s t u d ya n da p p l i c a t i o n o fc r a s ht e s td u m m i e s b a s e do ni n d u s t r i a ld e s i g n m a j o r lm e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y p o s t g r a d u a t em i a ol i d i r e c t o rz h o ub i n g c r a s ht e s td u m m i e s ，c a l l e da sn e v e rd y i n gd o u b l e s ，c a l lp r o v i d es c i e n t i f i c b a s i sf o rs t u d yo fi n j u r yh a z a r da n ds u r v i v a ls p a c ec h a n g eb r o u g h tb yd i s t o r t i o no f a u t o m o b i l ea n de v a l u a t i o n6 fg e n e r a la u t o m o b i l es a f e t yp e r f o r m a n c eb ys i m u l a t i n g e x t e r n a lc o n f i g u r a t i o na n di n n e rs t r u c t u r eo fb o d y a tp r e s e n t ，d o m e s t i cd u m m i e s w h i c ha r eu s e di nc r a s ht e s ta r ea l m o s tp r o d u c e db yf o r e i g nc o m p a n i e s d a t a m e a s u r e db yd u m m i e sw i t he u r o p e a ns i z ec a nn o tr e f l e c tc h i n e s ea c t u a li n j u r y h a z a r d t h er e s u l tw i l lh a r mc h i n e s es a f e t y t h u s ，i ti ss i g n i f i c a n tf o rs o c i e t ya n d s c i e n c ev a l u et os t u d ya n dg e n e r a l i z ec r a s ht e s td u m m i e s 、i t l lc h i n e s es i z e an e wi d e ac a nb ep r o v i d e dt oc h i n e s ec r a s ht e s td u m m y ss t u d y , d e v e l o p m e n t a n dp r o d u c t i o na f t e ri n t r o d u c t i o no fm o d e mi n d u s t r i a ld e s i g nt h o u g h t ，t h e o r ya n d m e t h o d w i t ha p p l i c a t i o no ft h et h o u g h to fp e o p l ec e n t e r e d ，i n d u s t r i a ld e s i g nm o d b a s e do nm o d e mm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y , d o m e s t i cs i t u a t i o na n du s e r sn e e dc a n a c c e l e r a t et h r e ef i e l do fd e s i g n ，m a n u f a c t u r ea n dm a r k e tt oc l o s e l yu n i t e c o n c r e t e l y , i ti sc h o s et od e s i g na d u l t5 0 t hp e r c e n t i l ef r o n t a lc r a s ht e s t d u m m yb e c a u s eo fi t sl a r g ea p p l i c a t i o nr a n g e u s i n gm o d e mm a n u f a c t u r e t e c h n o l o g y ，c a dt e c h n o l o g y , m o d e mm a n a g e m e n tt e c h n o l o g y , m o d e r na e s t h e t i c s e t c t od e s i g nd u m m i e si nas p e c i a ls i t u a t i o na n ds t u d yh u m a n m a c h i n e e n v i r o n m e n t 四川大学硕士学位论文英文摘要 s y s t e m ；t h i n k i n ga b o u t 。u s e rd e m a n da n dm a n u f a c t u r ef a c i l i t yt od e s i g nd u m m i e s w i t hh i g h l yb i o f i d e l i t ya n dc h i n e s es i z ef e a t u r e ；u s i n gb i o n i c st od e s i g ni n t e r i o r s t r u c t u r ea n de x t e r i o rm u s c l ec o n f i g u r a t i o n a tt h es a m et i m e ，u s i n gf e a t u r e m o d e l i n gt e c h n o l o g yt om o d e l3 dp a r ta n da s s e m b l ym o d e l o n eo fp u r p o s e si st o r e a l i z ea s s i s t a n td e s i g n ，t e s tr a t i o n a l i t yo fd e s i g na n dr e d u c ed e s i g nc o s t a n o t h e ri s t ov i s u a l i z ed u m m ya n de n h a n c ep e r s u a s i o n a sar e s u l t , d u m m i e sh a v em o r em a r k e tc o m p e t i t i o no w i n gt oi t sf e a t u r eo f c h i n e s es i z ep a r a m e t e r , h i g h l yb i o n i cs t r u c t u r ea n df i g u r a t i o n ，p r e c i s em e a s u r e c a p a b i l i t y i ti st e s t e dt h a tt h ed u m m yc a nm e e tt h ed e m a n di nf u n c t i o na n dt a s t eo f c o n s t l n l e r si nt e r m so ff e e d b a c ki n f o r m a t i o n i tc a ns u b s t i t u t et h ec o n g e n e r i ci m p o r t p r o d u c t k e y w o r d s ：i n d u s t r i a ld e s i g nf r o n t a lc r a s ht e s td u m m y p e o p l e c e n t e r e d f e a t u r em o d e l i n g 1 绪论 1 绪论 汽车的发明就象一柄双刃剑，一方面，通过扩展人类的活动范围，加速人、 物、信息、经济的交流，使得人类的生活、生存方式得以改变：另一方面，逐 渐增多的交通事故却给人类的生命、财产安全带来了巨大隐患。据有关资料显 示：自有汽车以来，世界上死于交通事故的人数已达4 2 0 0 万人，接近第二次世 界大战死亡总数i 。仅2 0 0 4 年上半年我国就发生2 5 万起交通事故，造成4 9 万人死亡，2 1 万人受伤，直接经济损失1 3 1 亿。因此，汽车“安全”问题已 经和“环保”、“节能”一起成为汽车发展的三大主题，受到各国安全部门的广 泛关注。 在2 0 世纪7 0 年代前汽车技术的发展，主要集中于汽车主动安全性( 即汽 车防止发生事故的能力f 2 】) 的研究，其研究包括提高操纵稳定性、舒适性、制 动性以及提高灯光、视野等口l 。由于对汽车主动安全性的研究未能大幅度降低 汽车交通事故发生率，人们便开始加强事故发生时汽车保护乘员的能力( 即汽 车的被动性安全性【2 】) 方面的研究，通过对司机和乘员的损伤情况的评估，寻找 保护、减少乘员受伤的措施。主要包括汽车碰撞试验、测试仪器及分析技术、 乘员保护系统的开发、碰撞试验的模拟计算等。而汽车碰撞试验假人，作为真 人的替身，在汽车被动安全性研究中扮演着极其重要的角色。利用假人装置， 可以在碰撞试验中获得评估汽车安全性所需的数据，为汽车内部结构改进、乘 员保护系统设计提供了科学依据。 1 1 汽车实车碰撞试验 汽车碰撞试验，包括实车碰撞试验和有限元模拟碰撞试验。前者一般用于 车辆安全性能的综合评价、安全系统和整车的关系评价、车身变形对乘员生存 空间影响的研究。后者用于设定模拟碰撞试验的碰撞环境和模拟实际事故发生 过程。其中实车碰撞试验是进行汽车安全性能评估最重要的依据。 根据碰撞方向将汽车实车碰撞试验分为：正面碰撞试验、侧面碰撞试验和 追尾碰撞试验。据资料显示，正面碰撞的死亡人数占到碰撞死亡总人数的4 8 ， 偏置碰撞死亡人数占4 5 2 1 6 1 。因此，正面碰撞和侧面碰撞试验是研究的重点。 美国联邦安全法规f k s s 中有2 0 8 项乘员保护方面的法规、3 0 1 项燃油泄漏方 四川大学硕士学位论文 面的法规以及2 0 4 项防止转向机构对驾驶员伤害方面的法规都要求整车以 4 8 3 k m h 车速进行正面碰撞试验，并对各种测量结果进行分析。在实行了这些 法规以后，汽车的安全性能得到大幅度提高。我国在1 9 8 9 年对整车碰撞安全性 也制定了国家标准( g b t 1 1 5 5 卜8 9 汽车乘员碰撞保护、g b t 1 1 5 5 7 8 9 防止汽 车转向机构对驾驶员伤害的规定) h o ，2 0 0 0 年1 月1 日我国制定实施了“关于 正面碰撞乘员保护的设计规则( e m v d r 2 9 4 ) 。这些法规的和实施都将极大地促进 我国汽车安全状况的改善。 汽车碰撞试验的过程非常复杂，包括试验前假人标定及相关准备工作，试 验后车辆变形测量、假人测量数据分析、图像分析、样车照片等。程序框图见 图l 一1 。欧美等国家的汽车公司，每年都用大量的汽车进行碰撞试验研究。 由于条件所限，我国到1 9 9 2 年才由清华大学等单位开展实车碰撞试验方面的研 究，建立了实车碰撞试验台，并于1 9 9 5 年5 月正式进行了一次实车正面碰撞试 验【4 】。 甲圜i 匿圈嚣 l 匝二卫i 嘏筹虢l 耍至田 l 丁面页石百k 厂酉丽莉甄田i 厂耵玎凶药目 试验 静奄删# 试骑 变形铡定 l 样乍照片 li 捌 簟分折数榴处理 报告 图1 1 实车碰擅试验程序框图 1 2 汽车碰撞试验假人简介 本文所指的汽车碰撞试验假人( 也称汽车安全假人) ，是代替真人用于实 车碰撞试验中的一种测试工具，属实物假人。它具有与真人内部结构仿真、外 i 绪论 部形态相似、材料力学等效等特点，已经广泛用作汽车安全性能设计、碰撞时 人体伤害指数确定、安全措施评价、碰撞计算机仿真等方面的辅助测试工具。 假人的研究直接关系到汽车安全性能的综合评价，与人类的生命财产安全息息 相关。所以大多数欧美国家的汽车技术标准和汽车安全法规规定：必须用碰撞 假人对汽车在冲击力学条件下进行汽车安全评价，才能出售和上路。 欧美等国家从上个世纪4 0 年代开始研究假人。到现在为止，国外假人产 品已经实现系列化、商品化和标准化。而我国对汽车碰撞试验假人的研究开展 的比较晚，还处于起步阶段。 1 2 1 假人的发展历程 人类对汽车碰撞试验假人的研究开始于2 0 世纪4 0 年代。在短短半个多世 纪里，假人的结构和外形都发生了巨大的变化。以美国假人开发为例，假人的 发展大致可以分为以下四个时期： ( 1 ) 、关注、探索期( 1 9 3 0 年一1 9 5 0 年 上个世纪3 0 年代，随着汽车的普及。交通事故的数量随之增长。人们在 享受汽车文明的同时，也承担着它给人类带来的不幸嘲。据资料显示，当时每 亿车辆里程死亡率( f a t a l i t i e sp e r1 0 0m i l l i o nv e h i c l em i l e s ) 高达1 5 6 ，是现在 的8 倍多。严重的汽车安全问题引起社会的广泛关注，人们希望发明一种装置 来评估汽车的安全性能。 在经历了无数的探索研究之后，s i e r r ae n g i n e e r i n g 公司在1 9 4 9 年研制出第 一个试验用模拟假人“s i e r r as a m ”。尽管这个假人被用来评估弹射座椅， 而且在假人外形、人体体熏、关节连接处的设计都与真人存在巨大差异，但是 这个假人的出现给人们带来了种新的思路，越来越多的人开始投入到假人的 研究工作中。 ( 2 ) 、假人技术开始应用于汽车碰撞试验( 1 9 5 0 年一1 9 7 0 年) 随着对汽车碰撞安全性的关注，1 9 5 0 年，军用假人被用于碰撞试验中，开 始了假人民用方面的开发研究。1 9 6 0 年，在航空用假人的基础上开发出最早的 汽车碰撞试验的假人v i p 。随后在s a e ( s o c i e t yo fa u t o m o t i v ee n g i n e e r s 美国 汽车工程师协会) 标准中对第5 0 百分位假人的尺寸、重量、弹簧常数等做了规 四川大学硕士学位论文 定。并对假人的性能作出如下要求： 、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： 、应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。 1 9 6 6 年，美国国会制定机动车辆安全法案，建立了汽车安全标准f 4 ”。 同时通用汽车公司( o e n e r a lm o t o rc o 简称g m ) 开始寻求多种方法来改进现有 假人、测定碰撞试验中假人受力作用下的损伤情况。 多项法规的制定和相关研究的开展，为假人的进一步发展创造了良好的外 部和内部环境。 ( 3 ) 、h y b r i d 系列假人开发( 2 0 世纪7 0 年代 1 9 7 1 年通用汽车公司在a l d e m o nr e s e a r c h 和s i e r r ae n g i n e e r i n g 两家生产 的假人基础上，开发了h y b r i d i 型假人，即混合i 型假人。较以往的假人，h v b r i d i 型假人在关节、头部和脖子的设计上都更接近真人，并装有更多的传感器， 以便获得更多的人体损伤数据。但此时，h y b r i di 型假人仅仅在通用汽车公司 内部使用，未能普及。 1 9 7 3 年g m 公司推出h y b r i di i 型假人。它是对h y b r i di 型假人的头、脖 子、关节、肋骨、膝部、外形和脊椎进行改进后研制而成，同时增强了测试仪 器的配置。除了第6 0 百分位成年男性假人、第9 5 百分位成年男性假人、第5 百分位女性假人，通用汽车公司还开发了不满一岁的婴儿、3 岁的幼儿、1 3 岁 的儿童、老人甚至孕妇等各类假人【4 】。从h y b r i di i 型假人开始，开始形成包括 不同百分位、不同性别、年龄的假人系列产品研究。h y b r i di i 型假人获得了极 大的成功。1 9 7 3 年，美国联邦机动车安全法规( f m v s s ) 2 0 8 标准( 乘员碰撞 保护) 中将h y b r i di i5 0 t h 型假人作为评定汽车碰撞试验中乘员碰撞保护性能的 标准装置，并在联邦法规中规定了假人的标准。 为了获得更好的生物逼真度( b i o f i d e l i t y ，即假人试验装置或数学模型能 够准确地再现人对撞击力响应的主要特征性的程度【3 】) 通用汽车公司改进i i 型 假人的脖子、胸腔，并装有更多的传感器以采集更多的数据，于1 9 7 6 年推出 h y b r i di i i 型假人。1 9 7 7 年，h y b r i di i i 型假人实现了商业化进程，大大促进 了假人的应用和推广。同时也使得它最终取代h y b r i di i 型假人成为验证车辆 1 绪论 是否符合2 0 8 安全标准的性能要求的唯一试验假入。 h y b d d 系列假人的推出大大促进了假人的系列化、商品化、标准化。假人 的评定标准得以具体化。 ( 4 ) 、假人技术全面推广( 7 0 年代后期至今) 从7 0 年代后期，假人开始进入高速发展阶段，不仅涌现出各种用途的假 人，假人的各项评估标准也进一步完善。为了满足不同碰撞方向下人体损伤情 况，开发了不同规格的正面碰撞试验假人( 如：h y b r i di i i 家族产品) 、侧面假 人s i d 、抛出假人、翻滚假人等。随着对行人安全性的重视，又开发了行人安 全假人( 主要是立姿行人假人r s p d ) 。还针对儿童、婴儿、孕妇保护开发了相 应的假人产品，其主要规格如表1 1 所示。 表卜1 汽车碰撞试验假人主要规格 规格体重k g坐高m m h y b r i di i i 5 0 7 8 1 58 8 4 h y b r i d1 1 1 5 4 9 9 87 9 0 h y b r i di i i 9 5 1 0 1 3 l9 3 5 c r a b i6 个月婴儿7 9 04 4 2 c r a b i1 2 个月婴儿9 7 04 7 5 c r a b i1 8 个月婴儿1 1 2 0 5 0 5 3 岁儿童假人 1 5 1 0 5 7 2 6 岁儿童假人2 1 4 66 5 0 s i d ( 侧面碰撞假人) 8 9 8 07 6 5 b i o s i d ( 仿真侧撞假人)8 8 4 07 6 1 2 0 0 0 年以后，假人的研制又有了新的发展。2 0 0 3 年美国研制成功新一代 假人t h o r 。它比h y b 耐i i i 装有更多的传感器。其脊柱和骨盆具有松散和直 坐两种姿势，可以用来研究高速公路发生车辆碰撞时，不同坐姿下乘员的损伤 情况。而o c a t d 是具有更高生物逼真性的假入。它选用塑料骨架，外匝包裹 合成的肌肉，目的是基于对肌肉和皮下组织的研究，开发一种可以根据乘员尺 寸来展开和配置的气囊。目前，美国第一安全技术公司( f i r s tt e c h n o l o g ys a f e t v 四川大学硬士学位论文 s y s t e m 简称f t s s ) 已成功研制具有高度智能化、高度集成化和高度封装性的 智能化假人装置i d u m m y t 5 1 。它将数据采集装置全部置于假人内部，大大简化 了对假人的操作。这些新一代的智能化假人具有与真人一样的外形和骨骼。还 装配了各种各样的传感器，用于测试各种部位碰撞的数据。利用现代传感技术， 它们能够定量、精确地测试人体某各部位所受冲击力的大小。从而使假人具有 了智能化特点，为汽车碰撞试验提供了更科学的依据。 除了美国以外，荷兰t n o 公司研究出符合欧洲人体尺寸的假人e u r o s i i ) 一1 ( 欧洲测碰假人) 、t n o - i o 座椅安全带动态试验假人等。e u r o s i d 一1 假人为第 5 0 百分位成年男性假人，可用来测量单个肋骨的加速度和变形值，还可以测量 腹部穿透力及臀部载荷，具有较高的生物逼真性。它已经在欧洲被广泛采用。 1 2 2 假人的发展趋势 随着科技的进步和人们对汽车安全性能要求的提高，我们发现碰撞假人的 研究呈现出如下发展趋势： ( 1 ) 、高度的生物仿生性。随着对乘员保护的深入研究，要求用于碰撞试 验的假人具有更高的生物仿生性。除了提高外形、结构的仿生性，还必须研制 具有生物力学等效性的仿生材料、仿生关节，及智能化的传感测试系统。使得 碰撞试验的结果更加接近人体的实际损伤情况，为汽车安全性研究提供更精确 的科学依据。 ( 2 ) 、高度测试智能化。汽车碰撞试验假人必须能够满足不同碰撞条件的 测试需求。进一步完善在高速碰撞条件下信号采集、数据处理及分析、顺序图 像动态分析处理系统。使测试数据、分析更加便于汽车安全性能的提高和评价。 ( 3 ) 、高度集成化。作为一种测试工具，所设计的碰撞试验假人必须尽可 能的符合人机工程原理，方便使用和维护。因而，在满足生物仿生性及测试智 能化的前提下，必须使假人的各个部件具有良好的封装性，实现集成化。 ( 4 ) 、假人产品系列化。研制不同性别、年龄、百分位的假人以满足不同 车辆、不同研究方向碰撞试验的需求( 包括正面碰撞、追尾碰撞、侧面碰撞、 座椅、安全带和气囊检测、行人保护等) 。还有单独针对人体各个部位测试的假 肢研制都促进了假人的系列化进程。 1 绪论 ( 5 ) 、假人产品商业化。汽车安全假人已经发展成为一个产业，假人的应 用范围也不断扩大。已经逐渐进入与安全相关的诸多行业，如汽车、火车、航 空等，并可用作教学模拟等其他行业。加快商业化力度，将进一步促进假人的 发展。 1 2 3 我国汽车碰撞试验假人的发展状况 目前，我国对汽车碰撞试验假人的研究还处于起步阶段。自1 9 9 2 年开始 汽车被动安全性研究以来，清华大学汽车研究所、中国汽车技术研究中心、国 家汽车质量监督中心先后建立了橡胶绳弹性试验台，已经先后对国内很多车型 进行了整车碰撞试验，如北京吉普、上海桑塔纳、神龙富康、一汽红旗等，探 索出一条适合我国开展汽车碰撞试验研究的途径1 3 l 。但这些碰撞试验所采用的 假人装置皆来自欧美国家，具有欧美人的尺寸特征和外形。由于人体尺寸根据 地区、民族、性别、年龄等具有一定差异性，进口的假人并不能真实反映中国 人体在碰撞中的损伤情况，从而使碰撞试验的数据和分析结果存在较大偏差， 严重威胁我国人民的人身和财产安全。 图1 2 中国首位汽车安全碰撞试验假人及实验室 自2 0 0 0 年起，国内一些单位开始进行具有中国人尺寸特征的安全假人的 研究。2 0 0 1 年8 月，由“中国模拟人之父”、i n j i i 大学人机工程与医疗设备研 究中心主任林大全教授主持开发的智能化汽车安全碰撞假人在襄樊通过了国家 汽车质量监测中心标定检测，结果基本符合美国f w v s s 2 0 8 和g b i1 5 5 1 8 9 的 四川大学硕士学位论文 要求，这是中国自主研发的第一具汽车碰撞安全假人，也是第一具按照中国人 的体型特征设计的假人模型，在我国的汽车安全领域取得了重大的突破【l 】。它 是在借鉴美国h y b f i d i i i 设计经验的基础上设计而成，其尺寸和质量为中国成年 男性人口的9 0 百分位平均值，包括部件运动范围、质心和质量的设计。见图 1 2 【7 1 。 尽管如此，我国汽车安全假人的研究依旧滞后于汽车产业的发展。主要表 现在： ( 1 ) 、我国汽车工业对汽车碰撞( 被动) 安全性的了解较少，缺乏对汽 车假人的认识。 ( 2 ) 、虽然假人是在h y b r i di n 基础上改进而成，但由于资料有限，在外 形、结构、测试等方面的生物仿生性还不是很高。 ( 3 ) 、假人还未实现规模化生产、系列化、产业化。一方面，中国首具 汽车安全碰撞试验假人是采用手工制作而成，还没有开发出相关的系列产品。 另一方面，由于缺乏有效的市场宣传推广以及良好的外部环境，假人还不能完 成商业化进程。 ( 4 ) 、国家对乘员保护的各项法规还不完善。近年来，这种状况得到一 些改变。2 0 0 1 年1 2 月，我国有关部委出台了中国强制性产品认证制度( c c c ) ， 在强制执行的标准中，包括汽车正面碰撞法规。该法规要求我国m 1 类汽车在 2 0 0 3 年5 月1 日之后，凡未通过“3 c ”认证一律不准出厂、出口和销售。这些 法规的建立，为今后假人的发展提供了良好的外部条件。 随着我国汽车消费的持续增长，专家预测；汽车产业将成为中国今后1 0 - 1 5 年的支柱产业。而假人发展的滞后已经成为汽车产业发展的一个瓶颈，必须投 入更多的人力、物力加强汽车碰撞试验假人的研究( 包括人体参数、仿生材料、 传感技术、设计制造、市场推广和假人标准等方面) ，生产具有中国人特征的、 高度仿生性、高度智能化的假人，实现假人的系列化、产业化和标准化，使假 人发展的步伐逐渐与汽车产业发展相符合。 1 3 课题研究的目的和意义 在第一具汽车碰撞试验假人研制成功以后，如何使假人具有更高的仿生 i 绪论 性? 如何加快假人系劐化、产业化进程? 如何真正将具有中国人体尺寸特征的 假人在国内汽车厂家中推广使用，从而根本改善我国的汽车安全、乘员保护状 况，打破汽车产业发展的瓶颈? 已经成为摆在假人研究人员前面最刻不容缓的 问题。 工业设计( i n d u s t r i a ld e s i g n ，简称i d ) ，是一门科学技术与艺术相互渗 透、交叉和结合形成的【引，涵盏现代美学、现代物理学、现代制造技术、现代 人机工程学等多个学科知识的交叉学科。与传统工程设计不同，能够更多包容 现代的自然科学和人文科学的成果，“以人为本”同时兼顾社会、经济、消费者 心理等相关因素，实现产品“人一机一环境”的和谐统一。使得产品不仅具有 “使用功能”，还具有“审美功能”。更重要的是，工业设计是工业革命的产物， 它先天适合大规模生产，能够紧密联系市场，有效的促进产品的商业化进程， 推动新技术、新材料的研究和应用。 鉴于工业设计在学科交叉方面的巨大优势，我们将工业设计思想引入假人 开发中，目的是：运用工业设计原理、方法设计具有独立知识产权的、具有中 国人体特征的和高度仿生性的汽车碰撞试验假人：促进假人的系列化、产品化， 逐步探索一条加快我国假人开发商业化进程的路线。课题同时还具有重要的社 会价值、经济价值和学科发展的价值。 1 4 课题工作简介 本次课题主要工作是：一、将“工业设计以人为本思想”运用到汽车碰撞 试验假人的整个开发周期中，包括了假人的设计、制作、推广。探索出新型的 “以用户为中心的工业设计假人开发模式”：二、基于现代工业设计的思想、原 理、方法结合现代制造技术、现代设计理念、仿生学、人机工程学、美学等知 识，对假人内部各个零件、假人关节进行仿生设计，对假人外部肌肉形态进行 仿生设计和制作以及对传感器安装位置和布线进行设计。使假人的人体参数相 似、材料力学等效、内部结构仿生、外部形态相似，同时满足用户对假人功能 性和审美性的需求，增强假人的竞争力；三、发挥工业设计在市场推广方面的 优势。运用计算机三维建模技术建立精确地汽车碰撞试验假人内部机械骨架的 三维模型以及人体外形可视模型，运用各种可视化手段全面展示假人，使用户 四川大学硕士学位论文 对假人有比较直观的认识，初步实现假人与用户的良好沟通，为扩大假人市场 份额打下基础。 2 工业设计在假人开发中的应用 2 工业设计在假人开发中的应用 工业设计是一门涵盖了多个学科的新兴交叉学科。它伴随着工业革命的兴 起丽产生在短短的一百多年里，逐渐发展成为促进现代工业发展最重要的一 个工具。著名科学家杨振宁博士就曾指出：“2 l 世纪将是工业设计世纪，一个不 重视工业设计的国家将是落伍者”1 9 】。工业设计在经历了最初简单的“艺术+ 技术”模式后，逐渐形成正确的指导思想“以人为本”。它以社会的进步与 发展、改善人的生存方式作为最终目标，将技术与艺术相互渗透融合，既重视 产品的功能性，也强调审美性，努力使产品更接近消费者的梦想、需要和愿望。 使产品以其自身生动的存在价值和功能作为沟通语言、完成人与人、人与物之 间的交流【10 1 。并发展了一系列有效的创新方法、产品开发模式和产品评价标准。 引入“工业设计以人为本思想”后，假人的开发就不仅要“以用户为本”， 还要“以开发者为本”，从而使得假人的开发从传统的产品开发模式转变成“以 用户为中心的开发模式”，将设计、制造、市场三方面因素有机结合。运用工业 设计原理、方法进行假人设计、制造使假人具有更高的仿生性能，符合用户的 需求。 2 。1 工业设计的内涵 2 1 1 工业设计定义 工业设计是技术与艺术相结合应用于实践的一门学科。一直以来，工业设 计都没有很确切的定义。设计师也根据自己对工业设计的理解，对工业设计做 了不同的定义。 ( 1 ) 、传统的工业设计含义 意大利著名设计师o i n ov a l l c 认为，“工业设计是一种创造性活动，它的任 务是强调工业生产对象的形状特征，这种特征不仅仅指外貌式样。它首先指结 构和功能，它应当从生产者的立场以及使用者的立场出发使二者统一起来”f 这定义指出了工业设计的特征所在：“创造性”和“规划性”。工业设计的目 的是取得产品与人之间的最佳匹配。这种匹配，不仅要满足人的使用需求，还 要与人的生理、心理等各方面需求取得恰到好处的匹配，体现了以人为本的设 计思想。 四川大学硕士学位论文 传统工业设计的核心是产品设计，它需要涉足众多学科的研究领域如： 物理、生物学、工程技术、市场学、美学、人体工程学、社会学、心理学等等， 使这些原本孤立的学科交叉、融合，结成有机的整体，实现科学技术与艺术的 融合，同时满足人们对产品实用性和审美性的需求。 ( 2 ) 、现代工业设计 随着现代工业技术的发展，工业设计的内涵也得以拓展。现代工业设计可 以分为：狭义工业设计和广义工业设计。 狭义工业设计( n a r r o wi n d u s t r i a ld e s i g n ) 指产品设计，即针对产品的功能、 材料、构造、工艺、形态、色彩、表面处理、装饰等因素，从社会、经济、技 术的角度进行的综合设计。产品设计的核心是产品对使用者的身、心具有良好 的亲和性与匹配。这一定义与传统工业设计的内涵一致。 广义工业设计( g e n e r a l i z e d i n d u s t r i a l d e s i g n ) 指“为了达到某一特定目的， 从构思到建立一个切实可行的实施方案，并且用明确的手段表示出来的系列行 为”，包含了“一切使用现代化手段进行生产和服务的设计过程”【1 3 】。 1 9 8 0 年国际工业设计联合会( i c s i d ) 对工业设计做了如下定义：“就批量生 产的产品而言，凭借训练、技术知识、经验及视觉感受而赋予材料、结构、构 造、形态、色彩、表面加工，以及装饰以新的品质和规格，叫工业设计。根据 当时的具体情况，工业设计师应该在上述工业产品全部侧面或几个方面进行工 作，而且，当需要工业设计师对包装、宣传、展示、市场开发等问题的解决付 出自己的技术经验以及视觉评价能力时，这也属于工业设计的范畴。”【1 4 】这一 段话全面的界定了工业设计的工作范围、指明了工业设计师应该具备的能力， 是一种很具体的、容易理解的定义，是目前普遍被认同的一种定义。随着科技 的发展，工业设计的内涵也得到了进一步拓展，那就是工业设计师不仅设计产 品，更重要的是设计更适合人类生存发展的生活方式。这样。工业设计的工作 范围得到了极大的拓展。工业设计师必须对社会付出更多的责任感，成为社会 进步、人类发展的策划者。工业设计师不仅需要具有较强的产品功能设计和美 学设计的基础，还必须具有设计产品的知识和洞察力，能够在不同学科和知识 领域之间建立起联系。 2 工业设计在假人开发中的应用 2 1 2 工业设计的工作范畴 工业设计涉及到批量生产的方方面面。但一般来说，根据工业设计的对象 可以将工业设计的内容分为三类： ( 1 ) 、视觉传达设计。它通过人的视觉来 传达信息、理念和意图。主要涉及包装、宣传、 市场开发方面的工作。工业设计师依靠自己色 彩、美学方面的知识，最大限度的传达产品信 息，使消费者更好的理解产品。随着计算机技 术的发展，视觉传达不仅包括平面设计还包括 了静动态三维设计、数字媒体设计等。如图2 一l 为克莱斯勒公司9 7 年推出的一款名为 “w r a n g l e r ”的吉普车的宣传画，是一种 二维的平面广告形式，通过独特的构思和生动 的视觉效果来向人们传达吉普车的特点。 ( 2 ) 、产品设计。这是工业设计的核心， 是工业设计为社会创造巨大价值的重要活动 1 3 1 。它不仅仅需要工业设计师运用技术、经验 对产品的外形、颜色进行设计，还包括了对产 品内部结构、功能的设计，和对系列产品的开 发、把握。主要设计消费产品、交通设施、商 用机器、工作机械等。如图2 2 苹果公司i m a c 电脑【2 7 j ，在外观和功能方面都能满足人们消费 者的愿望。是一款非常成功的产品。 图2 1 吉普车童传画 图2 - 2 苹果公司i 眦c 电脑 ( 3 ) 、环境设计。包括建筑设计、室内环境设计、城市规划等。在环境设 计中，产品已经不再作为一个孤立的物体存在。所设计的产品也不是面向所有 消费者。而是将消费群体进行细化。设计师在设计产品的同时，将产品的使用 环境也纳入了考虑因素中，使产品更具有针对性。 随着现代数字技术的飞速发展，“信息设计”逐渐成为工业设计新的研究领 域，并与工业设计其他三个领域彼此相互联系、贯穿。 四川大学硕士学位论文 2 1 3 现代工业设计的特征 现代工业设计与其他学科相比具有许多独特之处，主要呈硼下5 7 ( 1 ) 、创新性。创新是通过对现有事物的观察、分析，运敏锐的 和发散性思维，突破常规概念以形成不同于当前事物的新理念断构想 设计的核心，是新产品和新技术发展的原动力。 ( 2 ) 、学科交叉性。工业设计是一门多学科交叉的边缘学矗它结 学技术、艺术、经济管理、哲学、生物学等成果，并将这些成擘优化组 于不同的设计对象、设计领域中。一方面，工业设计根据一定簟美原则 学艺术设计的方法将产品构想直观的表达出来；另一方面，工t 设计所 产品结构、外型因为受到现有技术加工水平、用户喜好、产品本等条 制，而不能凭空想象。它本身也有很多基础性的技术，如模具l 沭、表 技术、材料加工技术、模型制作技术等。工业设计的方法随着l 关学科 得到丰富和完善。 图2 3 “技术、艺术、经济”三者结合性 ( 3 ) 、科学、艺术、经济三者结合性。如图2 3 ，工业设膏是将利 术、经济综合运用到设计对象中，使设计对象在具有艺术美感、功能性f 又具有制造成本低、市场反应好优点，成为人们所喜爱的、希螂有的 三者不是简单的相加而是工业设计师融合三方面知识，设计叠美观、 低成本的产品。 2 工业设计在假人开发中的应用 ( 4 、社会性。现代工业设计以具有一定共同特征的入群作为目标使用者， 设计时考虑目标人群的颜色喜好、兴趣、审美变化状况，紧跟时代发展满足人 们对产品形态、风格、色彩等的新需求和接受标准。是具有现实意义的共性设 计。同时，它也考虑个体的差异性，使产品呈现不一样的特征，即个性化设计。 从而使产品更大程度满足用户需求。 ( 5 ) 、人一机一环境系统性。工业设计是将所设计的产品放在一个包括人 和环境的大系统中进行考虑使人、机、环境成为一个有机整体。设计时不仅 从机器使用者的角度考虑，还考虑机器所属的环境，从而提高机器的使用效率。 2 2 工业设计原则和评价标准 2 2 1 产品设计原则 工业设计在产品设计的过程中必须贯彻“以人为中心”的总体思想，为人 们创造更合理的生存方式。在设计中需遵循“适用性、经济性、美观性”三个 原则： ( 1 ) 、适用性 “适用性”是指产品适宜于人们的使用，要求产品必须具备一定功能要素来 满足人的需求。现代产品功能有着比以前更丰富的内涵，包括有物理功能 产品的性能、构造、精度和可靠性等；生理功能产品使用的方便性、安全 性、宜人性等；心理功能产品造型、色彩、机理和装饰诸要素予人愉悦感 等；社会功能产品象征或显示个人的价值、兴趣、爱好或社会地位等3 ”。 工业设计的适用原则是由工业设计的最高目的“为入服务”所决定的。因 而，工业产品必然适合人们的使用与对环境的协调。 “适用”包含两个方面：技术性能与整体关系。虽然工业设计不像技术工 程师那样专业地解决技术和工艺问题，但他们还是要特别考虑那些因素，并在 设计过程中决定产品如何适于人们的使用，使其更好地发挥产品总体功能的效 果。产品的安全性、易操作维护、使用者的工作环境、产品与环境韵协调统一， 操作者的疲劳情绪和产品的回收等，都是工业设计师要解决的问题。正如日本 夏普公司的总设计师净志坂下提出的：“应该在产品将被使用的整体环境中构思 产品。” 四川大学硕士学位论文 ( 2 ) 、经济性 “经济性”是指产品设计中，要考虑产品的费用问题，在满足产品所需功 能( 物质与精神两方面) 的同时，尽量降低产品成本。设计的目的是为人服务， 那么，衡量一个好的设计，最主要的是看它是如何为人服务和服务的程度如何。 产品设计师必须从消费者或者使用者的角度去观察、研究、解决产品中存在的 问题。从使用者的角度看，消费者赠买的是产品所携带的功能，而不是产品本 身。因此，设计师需要在保证质量的前提下消除多余的功能结构、选择合理的 材料，使之便于运输、维修和回收等，尽量降低企业的生产费用和用户的使用 费用，做到价廉物美。这样，不仅能给用户和消费者带来实惠，同时也给企业 带来活力。增强产品竞争力，最终为企业创造经济效益。工业设计的经济原则 贯穿消费、流通和生产全过程的始终。 ( 3 ) 、美观性 美观是指产品的形态、色彩等外在形式要满足人们的精神享受和审美需求， 体现时代和社会的审美情趣，体现产品本身的特色，使人们不仅得到物质需求 的满足和使用的满足，同时也在心理上得到愉悦。 产品应提供给人们一种美的形式和美的享受，是具备大众普遍性的审美情调。 美的形式不仅要符合功能要求，反映功能特征，与功能很好的融合。产品形式 除了反映功能特点外，要体现出设计风格，传递各种信息：例如，反映时代的 信息，其形态的语义信息、形态( 包括色彩) 与环境协调信息、民族习惯信息、 民族的伦理信息等等。产品的外观质量不仅影响着人们的使用，相当程度上决 定着产品的竞争能力。 ( 4 ) 、适用、经济，美观三者的关系 适用是满足人们生理需求的必要条件，是产品的基本方面；美观是满足人 t 1 1 , 5 理需求的必要条件，使人愉悦；经济是实现人们需求愿望的必要条件，它 决定着人们的购买能力。适用、经济、美观三者是相互依存、相互转化和相互 制约，是不可分割的整体。工业设计人员必须全面考虑并处理好三者的关系， 才能产生适销对路的产品。要因地、因时、因人制宣地处理三者关系不同的消 费群。不同目标市场里，这三者次序和侧重点都会有变化。 除了以上三个原则，产品的设计还必须易于认知、理解，且遵循可持续发 展、系列化、标准化等原则。 2 工业设计在假人开发中的应用 2 2 2 产品设计评价标准 工业设计在发展的过程中，逐渐形成了一系列衡量产品设计是否成功的评 价标准。它是从设计的角度对