车辆碰撞模拟仿真分析假人模型

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：1H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人机系统匹配评价用人体模型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车辆碰撞仿真分析用人体模型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。〔以MUL3D〕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 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Hanavan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15段，由头、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。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]。X〔Y、Z〕轴方向移动称具有一个自由度，绕X〔Y、Z〕轴方向3个，所以必需明确人体各关节运动的约束条件。,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；jRoot，是面对世界坐标的，是树的总根。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、,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()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)、,还可依据实际状况对人体模型及其,从而更有利于模型的建立,实现运动仿真。刚体系统,如以下图。Bii,还可依据实际状况对人体模型及其,从而更有利于模型的建立,实现运动仿真。刚体系统,如以下图。Bii123456)分别代表人体的脚、小,Oii1234,4400050-5-/20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],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。多刚体人体模型体铰示意图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(2)人体在碰撞前的运动参数()。,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。碰撞的物理和数学模型物理模型的建立市杨家坪兴胜路4号：400050 -6-/共20页重庆工学院_重庆汽车学院 6/30/2023乘员-汽车系统的简化方法:人体模型为由铰链接的七个刚体的多刚体系统;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;座椅和头部保护装置的软垫及安全带用非线性弹簧模拟;拟。针对高速大路中汽车正面冲突的特点建立一个模拟汽车正面冲突中前、后两车乘员的动力学响应的二维八自由度模型,如上图所示。数学模型的建立当前多刚体系统动力学争论方法很多,主要有牛顿2(N2E法)、拉格朗2(L2E)2(R2W法)、凯恩法(Kane法)、变分法(GaussLE法进展动力学建模。拉格朗日方程为市杨家坪兴胜路4号：400050 -7-/共20页重庆工学院_重庆汽车学院 6/30/2023EKEDEP的表达式代入拉格朗日方程,经推导、整理得以下数学模型方程式前前方向(X运动方程式、上下方向(Y运动方程方程式。计算仿真程序步骤;T=0时刻乘员身体各局部的位移、速度、加速度等输出参数的结果并存储;③设定计算步长$T④T=T+△T;TTmax(TmaxT的最大值),则计算时刻的模拟参数值,;⑥推断迭代是否收敛?假设收敛则存储结果并转向第④步,假设不收敛则使T=0T=T,;;,则转向第①步,否,则完毕程序。计算仿真分析向软件输入试验所用的假人配置和计算结果,用同样的假人做试验,测量试验结果,两种结果比照方下所示。市杨家坪兴胜路4号：400050 -8-/共20页重庆工学院_重庆汽车学院 6/30/2023市杨家坪兴胜路4号：400050 -9-/共20页模型与现实比较的结论

重庆工学院_重庆汽车学院 6/30/2023以现代高速大路上汽车正面碰撞为争论对象,通过人因分析,建立乘员响应的物理和数学模型,计算结果和试验结果比较接近,说明该模型具有较高的模拟精度,可局部代替假人台车碰撞和实车碰撞试验具有确定的有用价值。计算值和试验值在碰撞初期格外接近但后期差异较大这是由于计算时将人体视为刚体的假定所致,进一步修正刚体假定所带来的误差,使得计算结果更接近实际值,是今后进一步的争论方向。四、模型技术的应用——车辆碰撞事故再现技术车辆碰撞的计算机仿真车辆碰撞事故的车速鉴定、交通事故防治和行人保护等方面是目前车辆安全技术应用争论的重点。在汽车安全争论领域,计算机仿真是经济而有效的分析方法,具有周期短、费用低、精度高和可重复等优点广泛应用于交通事故再现、汽车及其安全装置、道路设施的设计以及碰撞中人体生物力学响应分析等争论方面。利用计算机仿真技术争论汽车人机系统在车辆行驶过程中的运动变化,特别是碰撞过程的仿真分析对提高汽车安全性、防治交通事故和增进人体保护等方面具有重要的意义。20年来,汽车碰撞的计算机仿真技术进展快速。进入80,欧美等先进国家推出了用于汽,著名的有LSODYNA3D、SMAC、PAMCRASH和MADYMO等。这些功能强大的软件包在安全车身开发、事故鉴定分析、碰撞受害国内一些高校和科研机构正在乐观从事汽车碰撞理论与仿真技术的争论。尽管总体上与国外相比还有很大差距但估量不久的将来在我国会有适于工程应用的仿真软件问世汽车碰撞的计算机仿真技术将会有更为广泛的应用。车辆碰撞计算机仿真技术的一个主要应用方面就是交通事故的再现,关心事故处理人员快速、高质量地进呈现场勘察、参数计算和事故分析进而争论事故发生的缘由探求避开事故、削减损失的策略。事故再现的模型市杨家坪兴胜路4号：400050 -10-/共20页重庆工学院_重庆汽车学院 6/30/20231事故再现的理论与技术车辆碰撞的事故再现是在事故发生后,由车辆的最终位置开头,运用按相关理论方法、试验数据以及专家阅历建立的运动学和动力学模型往回推算,即:碰撞后阶段]碰撞阶段]碰撞前阶段,使整个事故过程的实际状况在时间和空间上得以重现。将事故再现的模型与方法、理论与技术争论的各方面进展归纳综合,如图1所示。针对车辆碰撞过程进展分析,人们利用动量冲量、能量、动力学和实体的弹塑性质等理论建立了很多具有代表性的模型,以其为根底的著名事故再现软件系统有CRASHSMACPCOCRASH具有普遍的意义,因此称这种建模方法为统一模型方法。统一模型方法大都由直接描述碰撞阶段特性的特征参数动身,建立联立方程,这些参数包括碰撞中心、接触面的摩,能量方法使用碰撞阶段车辆的变形与刚度值,动量冲量方法使用接触面的回弹系数效果反映速度变化是碰撞阶段最直接的属性。碰撞中心表示碰撞阶段等效力的作用位置,回弹系数与摩擦系数表示接触面法向与切向的相互作用,汽车变形特性则表示接触面的力与变形关系。碰撞阶段不同,这些参数的取值就不同,而且差异较大。为了更加准确地再现交通事故,需要事故分析人员合理选取这些参数特征值。国外做了大量的实车碰撞试验,这些试验数据可以关心事故分析人员确定这些参数CRASHABSMACKV,NHTSA(美国道路交通安全治理局供给了相应的试验数据值动量冲量方法需要市杨家坪兴胜路4号：400050 -11-/共20页重庆工学院_重庆汽车学院 6/30/2023JARI(日本汽车争论所)也为此做出了大量的试验,结果供争论参考。各种碰撞模型始终在不断地改进和完善,基于各种先进理论方法的模型取代旧模型,促进了事故再现技术的进展。国内也正在兴起探究对车辆碰撞事故模型的算机模拟系统,并在此根底上争论了含其次次碰撞的计算模型[1];针对国内实车碰撞试验数据很少的实际状况,清华大学汽车争论所研制出CM(ClassifiedMethod)事故再现模型承受人工智能技术依据特定事故形态的特点建立具体模型。事故再现的关键问题利用事故再现计算机软件能快速准确地判定交通事故的起因和性质,但开发一,而子系统来获得真实牢靠的数据交通事故再现子系统能准确计算出各种未知参数再现事故发生的全过程交通事故缘由分析子系统则利用专家阅历、依照相应法律法规对交通事故进展认定因此还要求软件系统包含由各种典型道路、车辆、人体和的处理都是至关重要的。交通事故现场的信息采集是事故分析的前提,采集数据的准确程度影响事故再现的结果。人工测量总是耗时和存在确定的偶然误差,而承受计算机视觉和图像识别处理方法可以快速、准确猎取现场信息。自动采集事故信息并输入计算机,由计算机绘制交通事故现场图猎取特征参数已经成为今后的进展方向。现在,应用数字化摄影测量技术,可以通过对现场场景和汽车变形的测量,创立汽车的三维模型,由此打算汽车的等效碰撞速度等重要参数,有关试验说明该方法已到达较高的精度[6]。定律等根本理论来推算碰撞速度,是最常用的计算方法。阅历方法利用已有的统计数据和阅历公式推算碰撞速度。综合方法则结合了前两种方法的优点,以事故现场存在的多个数据为依据推算碰撞速度,又分为专家评分法和约束法两种[7]。其中市杨家坪兴胜路4号：400050 -12-/共20页重庆工学院_重庆汽车学院 6/30/2023约束法的结果是经过了事故技术鉴定人员的具体分析,已将个别虚假数据剔除,并结合考虑了理论计算方法和阅历方法的各个结果。总体来说,承受计算机仿真来推算汽车碰撞速度,,并能综合考虑各种计算方法,通过反复比较分析,辅以专家阅历,最终给出与真实状况更为接近的分析结果。车辆碰撞事故再现技术方面存在的另一个关键问题就是如何评判事故再现结果的置信度。从试验或事故调查中猎取的数据往往是不准确的。事故再现算法中各输入量存在不同程度的不确定度这些不确定度经过传播与累积带来计算结果值的不确定。应用不确定度理论对事故包含的数据与再现分析的结果进展不确定度分析,了解测量误差对计算结果的影响程度,关心分析事故再现的准确性。因此,将不确定度分析技术应用于事故重现的根本方程中对于理解和校验其计算结果很有意义。模拟人体与车体及环境之间的相互作用表达着事故再现的水平。现有软件根本上未能到达这样的效果,护拦等接触外表间的相互作用力、变形成为再现的难点和至高点。每种碰撞模型都对碰撞过程做出了相应的各种各样的假设,只有在确定的前提下才能对事故进展计算和分析,这就造成了事故再现方法的局限性。假设在保证模型适用的根底上,尽,,就能实现更为准确的事故分析。交通事故中人体的模似：故再现的应用水平。Pc-Crash软件中承受多体系统动力学理论方法建立了人体模型用于车撞行人等情形的分析将MADYMO的人体模型引入Pc-Crash另〔速度、加速度〕也E削减事故危害的途径。人、车、环境之间作用的描述:市杨家坪兴胜路4号：400050 -13-/共20页重庆工学院_重庆汽车学院 6/30/2023阶段发生的变化，才能从不同角度了解事故过程，更加准确地进展再现。模拟人体与车体及环境之间的作用是事故再现水平的表达。现有软件根本上未能到达这样的效果，如何描述乘员与车内环境、行人与车体、车与车及路面、护栏等障碍物的接触变形和相互作用力，成为事故再现技术争论的至高点。现有的每种故分析。进展趋势实际上交通事故多种多样其具体情形更是千差万别要想重现交通事故的难度是相当大的。随着车辆碰撞计算机仿真技术的不断进展,事故再现不仅成为可能而且已在汽车安全性争论中发挥作用。笔者认为今后还需围绕以下几个方面进展深入争论,以利于促进事故再现技术的不断进展。1//车辆碰撞模型的深入争论。现在,有关正面碰撞、追尾等方面的碰撞模型已经趋于成熟,侧面碰撞方面的争论也取得了确定的进展。对于斜碰撞、翻车和行人事故等碰撞类型的试验争论难度较大,而且存在接触点位置的断定、动量的不守撞理论和试验的计算机仿真的难度相应加大还需寻求各种的解决途径。OO环境之间相互作用的模拟在汽车碰撞过程中,人体汽车和环境三者之间在极短时间发生了猛烈的相互作用,比方翻车事故中,汽车与地面都因此发生了大幅度变形,而现有事故再现软件不能予以准确反映[8]。为此,建立完善的力学模型,改进接触算法,参与二次碰撞分析,精准描述碰撞阶段发生的变化,以便从不同角度了解事故过程,入争论。3//研发用于事故再现的人体模型。人是交通事故的直承受害者也是汽车安全的重点保护对象,特点建立的、适用的人体模型在事故再现中实现对驾驶员、乘客及行人的运市杨家坪兴胜路4号：400050 -14-/共20页重庆工学院_重庆汽车学院 6/30/2023动模拟和分析,精准推断人在车辆碰撞