[发明专利]基于多刚体和有限元耦合计算的数字假人模型建模方法

说明书

本发明涉及交通事故安全领域内的一种基于多刚体和有限元耦合计算的数字假人模型建模方法，包括以下步骤：建立标准数字假人模型库，分别包含多刚体数字假人的各个身体部位模型以及标准有限元数字假人的各个身体部位模型；设计新的标准数字假人模型，在Madymo的耦合软件中选择LS‑DYNA模块，并在耦合模块中定义铰链和调节接触，利用标准多刚体和标准有限元各部位数字假人模型生成完整的新标准数字假人模型，最后通过耦合仿真计算对新模型进行验证；输出新标准数字假人碰撞参数并验证。本发明通过耦合求解计算方法，可以充分发挥两个软件的优点,极大地增强了数字假人模型碰撞模拟计算的鲁棒性。

技术领域

本发明涉及交通事故安全领域，具体为一种基于多刚体和有限元耦合计算的数字假人模型建模方法。

背景技术

交通事故安全问题随着汽车工业的快速发展，越来越受到人们的重视，其一直是汽车开发商们比较关心的问题，而行人在交通事故中处于弱势的一面，往往会比汽车内的驾驶员更容易受伤害，因此实现交通事故重组再现对汽车安全性开发以及行人保护等都有重要的意义，继而如何减少交通事故碰撞中对行人的损伤已经成为各个国家纷纷开展研究和要解决的问题。

由于真实的人体不能在真实世界的碰撞测试中使用，所以假人模型是唯一可行的选择，并且它们的使用都是强制性和标准性的。碰撞假人分为物理假人和数字假人，并随着技术的发展，两种假人模型都在不断更新改进。物理假人由于试验对象的缺乏和使用尸体测试存在的伦理问题，难以展开大规模的开发和应用，因此人们通常借助于使用人体数字假人模型进行数值模拟。通过结合仿真碰撞分析和生物力学分析，会促进研究者对人体损伤如何发生的理解，这是朝着创造更安全的汽车和道路迈出的最重要的一步。虽然在真实世界的碰撞测试中，人体无法取代物理假人，但在虚拟碰撞模拟中，人体的数值模型可以很容易地取代物理假人的数值模型。

在世界各国交通安全机构的积极支持下，数字假人模型正在积极发展，与数值模拟一样，数字假人要求必须在计算效率、执行的鲁棒性和精度之间找到平衡点。现有的数字假人模型分为两类，一种是以HybridIII为代表的标准多刚体数字假人模型，此模型结构简单，具有计算效率高但精度低的特点；还有一种是以THUMS为代表的标准有限元数字假人模型，此模型结构复杂，具有计算效率低但精度高的特点。因此现在迫切需要建立一种可以满足计算效率和精度问题并同时考虑其鲁棒性能的数字假人模型，此数字假人模型可以满足在保证计算精度的前提下，同时占用最少的计算机时间和资源并具有较好的鲁棒性能。

对现有技术文献检索发现，很多高校和科研机构都有开发数字假人模型，但是大多数都是纯粹的多刚体或者纯粹的有限元数字假人模型，其中国际上普遍认可和通用验证的多刚体数字假人模型为荷兰国家科学研究院(现已被德国西门子收购)研究和开发的HybridIII数字假人模型，而最标准和完整的有限元数字假人模型是日本丰田公司开发的THUMS有限元数字假人模型，对基于有限元和多刚体耦合的数字假人几乎没有，难以满足仿真精度和效率的要求。专利申请号为200910054905.6名称为“组合式模块化变参数数字假人建立的方法”，该技术提供一种交通运输技术领域的组合式模块化变参数数字假人建立的方法，包括建立标准的有限元和多刚体数字假人模型各部位，并对假人模型的参数进行个性化定义以及对组合式数字假人进行运动学和动力学的验证，最后对模型进行标准化定义来满足事故鉴定的实际需要，提高了计算速率。但是所采用的有限元数字假人模型过于简单，不能很好的模拟人体的血管、内脏脂肪等的损伤；且计算精度不高，计算精度不仅取决于数字假人模型的精度，还有仿真求解模型和求解器的精度，改专利只用了Madymo多刚体求解器去求解，虽然Madymo软件中可以计算有限元部分，但是和LS-DYNA有限元求解器相比，还是有一定的精度差距的；并该方法建立的假人并没有用到耦合作用，由于Madymo软件中的材料模型比LS-DYNA软件里的材料模型少很多，这会使得有限元数字假人模型的材料在导入到Madymo软件中缺失很多，而材料模型正是有限元数字假人最重要的组成部分，因此建立的数字假人模型并不符合国际上的标准；且其数字假人模型只有50百分位男性和05百分位女性数字假人模型，没有符合标准的3岁和6岁儿童数字假人和95百分位大尺寸男性数字假人模型，缺乏通用性和普遍性。