[发明专利]组合式模块化变参数数字假人建立的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种交通运输技术领域，尤其涉及的是一种组合式模块化变参数数字假人建立的方法。

背景技术

人体无论是在哪种类型的碰撞中都属于弱势的一方，极易受到不同程度的伤害，如何减小碰撞中给人体造成的伤害就成为大家所关注的问题，但采用真人或尸体试验都由于实验对象的缺乏而难以大规模展开。于是各个国家纷纷发展各种碰撞用数字化假人用以代替真实人体进行仿真试验，但由于人体结构的复杂性，目前所采用的数字假人分为两类：多刚体数字假人和有限元数字假人。多刚体数字假人有建模简单、仿真运算速度快等特点，但对人体损伤结果描述不够精确；有限元数字假人可以精细描述假人局部损伤，但建模复杂、仿真计算时间长，适用范围小。通过长期的人体碰撞仿真应用实践，在对两种假人模型优缺点进行总结的基础上，我们选取国际通用的标准百分位多刚体数字假人和有限元数字假人，在对两种类型的数字假人进行结构拆分的基础上，通过铰链连接多刚体和有限元部分，形成新的多刚体与有限元组合式模块化数字假人。并进一步以组合式模块化变参数数字假人模型为基础，通过多尺度参数化定制，生成各种身高、体形特征的数字假人，其中重点是解决多刚体和有限元部分协调参数化定制的问题。

经对现有技术文献的检索发现，美国国家高速公路安全局(NSTHA)和日本汽车研究所(JARI)规定了各自在进行汽车碰撞人体被动安全性仿真时采用的汽车模型规格、数字假人模型结构姿态等，但所采用的数字假人多为多刚体假人，并开发了少量有限元假人，多刚体数字假人不能全面反映人体损伤，有限元数字假人仿真周期长，难以满足仿真时间要求。专利申请号为200610029398.7名称为“建立交通事故再现用中国成年男性数字假人的方法”，该技术提供一种仿真技术领域的建立交通事故再现用中国成年男性数字假人的方法，包括建立标准体形的成年男性数字假人多刚体假人模型，并对模型参数进行定制，可以模拟人车碰撞的接触过程，提高计算速度，充分考察数字假人的长时间运动过程，满足中国事故鉴定的实际需要，但所采用数字假人模型均为椭球体多刚体模型，不能反映数字假人局部损伤，而且仅局限于交通事故领域的男性数字假人，缺乏普遍性和通用型。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提供一种组合式模块化变参数数字假人建立的方法，本发明通过平衡多刚体数字假人和有限元数字假人结构，能够充分反映人体局部损伤情况，尤其是在即需要关注人体局部损伤又要进行碰撞仿真应用技术领域，可以解决纯粹多刚体数字假人和有限元数字假人存在的问题。

本发明包括以下步骤：

步骤1、建立不同身体部位局部有限元的数字假人模型，包含对标准假人模型的拆分、组合和接触特性定义。

步骤1中所述的有限元的数字假人模型，建立的方法如下：

(1)首先，通过标准多刚体假人模型拆分模块对HybridIII型国际通用男性50百分位和女性05百分位两种标准多刚体假人模型，按照头部、上肢、下肢、躯干进行拆分，包含多刚体实体的拆分、多刚体之间连接铰链的拆分、各实体间约束的拆分三部分。通过拆分形成的铰链和约束，可以与其他部位的多刚体或有限元模型进行任意组合。

(2)同时，通过标准有限元假人模型拆分模块对HUMOS国际标准整体有限元假人模型，按照人体头部、上肢、下肢、躯干进行拆分，包含有限元体节点的拆分、有限元体面和体单元的拆分两部分。通过对拆分形成的人体各部位连接处，参照多刚体有限元拆分设置进行铰链和约束定义，可以与其他部位的有限元或多刚体模型进行任意组合。

(3)然后，利用上述拆分形成的局部假人模型，通过多刚体与有限元局部人体数字模型组合模块，采用铰链连接和约束的方法将所拆分的多刚体部分模型和有限元体部分模型连接起来，铰链和约束力的设置均与实验得到的人体关节力相一致，具体参数可参照标准假人模型参数定义，并通过后续假人模型运动学和动力学实验对模型受力特性进行准确性验证。

(4)最后，通过多刚体与有限元体接触定义模块对数字假人用多刚体-有限元体接触算法取代多刚体-多刚体接触算法和有限元体-有限元体接触算法，通过对接触算法的重新定义，保证人体各部位不同类型实体间的正常接触，使组合式模块化变参数数字假人接触特性与真实人体接触特性相一致。

步骤2、对数字假人模型的参数进行个性化定义，即进行组合式模块化变参数数字假人参数化定制，包括体形参数定制和运动姿态参数定制。

步骤2中所述的体形参数定制和运动姿态参数定制，定制方法如下：