中國50百分位男性人體有限元模型建立

滕義壯，于濤*，施龍利，寇建閣，祁金柱

（1.煙臺大學(xué)機電汽車工程學(xué)院，山東 煙臺 264005；2.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084）

引言

中西方人體幾何測量學(xué)尺寸中前臂與大臂長度尺寸存在較大差異，而坐高尺寸差異較小，真實事故中，中國乘員的乘坐位置相對于西方乘員的乘坐位置要靠前，這樣導(dǎo)致中國乘員距離方向盤和其他內(nèi)部接觸位置的距離相對較短，從而有可能增加乘員傷害風(fēng)險。對中西方乘員在碰撞過程中損傷差異進行研究，將有利于提高我國汽車乘員約束系統(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)，建立了三個月以下不同年齡段兒童頭部數(shù)值模型，并對建立的模型進行了仿真度驗證。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50百分位男性小腿有限元模型。

雷旦等人[3]對一名男性志愿者進行了螺旋掃描，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5百分位女性人體特征的人體數(shù)值模型。然而，目前對于代表中國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)模型為基準模型，通過比例縮放方法建立了中國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 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人體有限元模型進行縮放。該縮放方法首先通過建立一個六邊形縮放體，將需要縮放的網(wǎng)格結(jié)點包圍住，在縮放體建立的同時可以在縮放體的角點及其邊緣建立控制點。其次，建立該縮放體的局部坐標系以及確定每個方向的縮放因子。最后，利用縮放因子對控制點進行縮放，從而改變縮放體的形狀，隨之改變縮放體內(nèi)部結(jié)點的位置，以達到網(wǎng)格縮放的目的。

1.1 尺寸獲取與縮放因子計算

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模型的關(guān)鍵人體測量學(xué)尺寸。因此，首先從2009年中國標準化研究院三千中國成年人三維測量尺寸數(shù)據(jù)庫中選取了50百分位男性人體20個人體測量學(xué)尺寸作為目標模型的關(guān)鍵人體測量學(xué)尺寸。然后，將基本模型導(dǎo)入有限元前處理軟件中，采用與標準化研究院數(shù)據(jù)庫相似的測量標志點，對基本模型進行尺寸測量，從而得到基本模型相應(yīng)的20個人體測量學(xué)關(guān)鍵尺寸。最后，將對應(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，需要先對基本模型進行區(qū)域劃分，然后對每個不同的區(qū)域應(yīng)用不同的縮放因子進行縮放?？紤]到模型縮放的精度要求，本文將基本模型劃分為25個區(qū)域，如表2所示。對基本模型進行區(qū)域劃分后，然后在每個區(qū)域內(nèi)建立該區(qū)域縮放使用縮放體、控制點和局部坐標系，并對該區(qū)域進行縮放，部分區(qū)域縮放過程如圖1所示。

表2 區(qū)域編號及名稱

圖1 部分縮放區(qū)域、縮放體及局部坐標系

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模型。在將該模型用于仿真分析前還需對該模型的尺寸進行誤差分析以及網(wǎng)格質(zhì)量檢查，以達到仿真分析要求。

2.1 模型尺寸誤差分析

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

式中，W表示絕對誤差，Dm表示基于初始目標模型測量得到的測量尺寸，Dc表示中國人體尺寸數(shù)據(jù)庫中的人體測量學(xué)尺寸，即CNIS尺寸。δ表示尺寸相對誤差。絕對誤差W、測量尺寸Dm以及CNIS尺寸Dc的單位為mm，相對誤差δ為無量綱的量。

尺寸誤差分析結(jié)果如表3所示，各尺寸相對誤差絕對值均在7.5%以內(nèi)，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，可以認為初始目標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模型導(dǎo)入到有限元前處理軟件，對模型的網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查，結(jié)果如表4所示。從表中可以看出初始目標模型與基本模型網(wǎng)格質(zhì)量變化不大，因此可以認為網(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50百分位男性。

圖2 模型縮放前后對比

3 結(jié)束語

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

[1] 李志剛,胡敬文,張金換,等. 基于統(tǒng)計學(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(自然科學(xué)版),2012(11):1631-1637.

[2] 曹立波, 杜現(xiàn)平,張冠軍,等.中國 50百分位男性小腿有限元模型的建立與驗證[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證[D].華南理工大學(xué),2011.

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

[5] 余志剛.中國50百分位人體與標準試驗假人正面碰撞響應(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].