[发明专利]反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构与设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构与设计方法，属于汽车碰撞安全领域。

背景技术

伴随着汽车工业的高速发展，汽车安全性在评价汽车的性能方面日趋重要，尤其是车辆乘员碰撞安全保护技术，更是成为国内外汽车市场的产品核心竞争技术和研究的重点。然而，现有汽车对乘员保护性能仍有不足，如无法描述真实人类在交通事故中骨折、肌肉损伤、颅脑伤害等。且由于无法重现真实人体在碰撞过程中受肌肉而影响的运动特性，经常会出现在现有碰撞规程下碰撞安全性能较高的汽车在真实交通事故中不能很好地保护驾驶员的情况。这与车辆乘员碰撞安全性能设计使用的假人无法真实反映人体的力学特性造成的。

目前，国际上已经意识到在碰撞过程中肌肉的力学特性随乘员运动与损伤的影响，并建立了多种具有肌肉的数字化假人模型，由于使用的表征肌肉的材料属性不同，这些数字化假人模型在碰撞仿真分析中的效果不尽相同，并没有形成一个统一的标准。尽管这些数字化假人模型的结构与真实人体结构十分相似，但并不能很好地重现真实人体的碰撞过程中的运动特性，因而依然处于探索阶段。

自上世纪八十年代以来，国际汽车工程领域大多采用假人(如采用金属和塑料等材料的Hybrid III型假人)进行交通事故的台车或实车碰撞实验，并通过测试在假人各位置的加速度或位移或受力来评价汽车乘员损伤程度。这种假人多是从生物医学角度建立的静态人体模型，缺乏在碰撞过程中对肌肉的力学特性的表达。尤其是对损伤影响较大的头部与颈部运动，受颈部肌肉的影响较大，但在现有假人中，无法重现这一力学特性。同时，为了制造与安装的便利，现有假人颈部结构与真实人体有较大的差异：真实人体颈部是有多个颈椎组合而成，可以进行灵活的运动，而假人颈部则是由铝盘与橡胶圆盘交替搭接所形成柱体结构，使得假人的颈部运动受到一定的限制。这种结构简化形成的差异使得现有基于假人的设计无法准确描述真实人体在实际交通事故中的运动和损伤。

发明内容

为了解决现有技术存在的以上问题，本发明提供一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构与设计方法，在现有假人基础上，结合医学、生物力学与工程需求，从车辆乘员安全保护的角度出发，充分考虑碰撞过程中颈部力学特性对颈部运动的影响，设计具有肌肉力学特性的肌肉型弹簧，并设计相对应的肌肉固定结构，提高假人模型的生物仿真性，进而提高汽车的碰撞安全性能。

本发明的主要目的可通过如下技术方案实现：

提供一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构，其由肌肉固定模块与肌肉模块组成，其中，肌肉固定模块由上颈环、下颈环及肩环组成，上颈环与基础假人上颈部连接，下颈环与基础假人下颈部连接，肩环与基础假人肩部连接；肌肉模块由不同弹性系数的弹簧组成，包括两根胸锁乳突肌弹簧、两根头夹肌弹簧、两根斜方肌弹簧，胸锁乳突肌弹簧两端分别连接上颈环和下颈环，头夹肌弹簧两端分别连接上颈环和下颈环，斜方肌弹簧两端分别连接肩环和下颈环。

作为本发明提供的一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构的改进方案，所述上颈环具体包括左侧上颈环2a与右侧上颈环2b，左侧上颈环2a为半圆环，半圆环外侧设置两根外伸梁，两根外伸梁的端部均设有通孔，两根外伸梁的通孔分别用于连接头夹肌弹簧和胸锁乳突肌弹簧；左侧上颈环2a与右侧上颈环2b为镜像对称结构，左侧上颈环2a与右侧上颈环2b圆弧相对固定连接。

作为本发明提供的一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构的改进方案，所述下颈环具体包括前向下颈环8与后向下颈环6，前向下颈环8与后向下颈环6均为半圆环，前向下颈环8外侧设置两根外伸梁，两根外伸梁的端部均设有通孔，每个通孔用于连接一根胸锁乳突肌弹簧，后向下颈环6外侧设置四根外伸梁，四根外伸梁的端部均设有通孔，四个通孔分别用于连接两根斜方肌弹簧及两根头夹肌弹簧；前向下颈环8与后向下颈环6为镜像对称结构，前向下颈环8与后向下颈环6圆弧相对固定连接。

作为本发明提供的一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构的改进方案，所述肩环具体包括左肩环5a与右肩环5b，左肩环5a与右肩环5b均为直角梁且左肩环5a与右肩环5b对称安装在假人肩部两侧；所述左肩环5a与右肩环5b的上梁的端部均设有通孔，每个通孔用于连接一根斜方肌弹簧；左肩环5a与右肩环5b的下梁均与基础假人肩部连接。