汽车人机工程虚拟仿真
人机工程仿真方案
人机工程仿真方案一、人机工程仿真的基本原理人机工程仿真是基于人体工程学的原理和方法，利用计算机软件和硬件技术来模拟和分析人与机器之间的交互过程。
其基本原理可概括为以下几点：1.建立虚拟仿真环境。
利用计算机技术建立虚拟仿真环境，包括模拟人机交互的场景、设备和工具等。
2.收集人体数据。
通过采集人体运动、生理和心理等数据，建立真实的人体模型，用于模拟人的工作过程和行为特征。
3.建立机器模型。
对机器设备、工具等进行三维建模，模拟机器的结构和功能特性。
4.进行仿真分析。
利用虚拟仿真环境中的人体和机器模型，进行交互分析、姿态预测、动作模拟等，评估产品设计的合理性和有效性。
5.优化设计方案。
根据仿真分析结果，对产品设计方案进行优化和改进，提高产品的人机适配性和易用性。
二、人机工程仿真的应用场景人机工程仿真技术在各个工程领域都有广泛的应用，主要包括以下几个方面：1.产品设计领域。
在产品设计过程中，利用人机工程仿真技术可以对产品的人机适配性和易用性进行评估和改进，提高产品的市场竞争力。
2.航空航天领域。
在飞机、航天器等复杂设备的设计和制造过程中，利用人机工程仿真技术可以模拟飞行员的操作流程和动作特征，预测人机交互中可能出现的问题，改进设计方案。
3.汽车工程领域。
在汽车设计过程中，利用人机工程仿真技术进行驾驶员模拟和车辆操作分析，提高汽车的安全性和舒适性。
4.医疗器械设计领域。
在医疗器械的设计和制造过程中，利用人机工程仿真技术可以模拟医生和患者之间的交互过程，评估医疗设备的使用效果和人体适配性。
5.军事装备领域。
在军事装备的设计和制造过程中，利用人机工程仿真技术可以模拟士兵的操作场景和动作特征，提高装备的适用性和战斗效能。
三、人机工程仿真的技术要点人机工程仿真涉及的技术领域非常广泛，包括计算机图形学、运动学分析、虚拟现实技术、人体测量技术等多个方面的知识和技能。
其中，以下几个技术要点尤为重要：1.三维建模技术。
利用计算机软件进行三维建模，包括人体模型、机器设备模型等，对虚拟仿真环境进行建模和设计。
机械制造中的虚拟仿真技术有何应用
机械制造中的虚拟仿真技术有何应用在当今高度发达的工业领域，机械制造正经历着一场深刻的技术变革。
其中，虚拟仿真技术作为一项创新的手段，正逐渐在机械制造的各个环节发挥着至关重要的作用。
虚拟仿真技术是什么呢？简单来说，它是一种利用计算机模拟真实世界的技术。
在机械制造中，通过建立数学模型和物理模型，虚拟仿真技术能够在计算机中重现机械产品的设计、制造、运行和维护等过程。
首先，在产品设计阶段，虚拟仿真技术就展现出了巨大的优势。
以往，设计师们只能依靠图纸和经验来构想产品的外观和性能。
但有了虚拟仿真技术，他们可以在计算机中创建三维模型，直观地看到产品的每一个细节。
不仅如此，还能对产品进行各种性能测试，如力学性能、热性能、流体性能等。
比如，在设计一款汽车发动机时，工程师可以通过虚拟仿真技术模拟发动机在不同工况下的运行情况，提前发现可能存在的问题，如零件磨损、过热等，并及时进行优化设计。
这样一来，大大减少了后期的修改和返工，缩短了产品的研发周期，降低了成本。
在制造工艺规划方面，虚拟仿真技术同样有着出色的表现。
制造过程中的每一个步骤，如切削、焊接、装配等，都可以在虚拟环境中进行模拟。
通过分析模拟结果，工艺工程师可以优化工艺参数，选择最合适的刀具、夹具和加工路径。
例如，在数控加工中，通过虚拟仿真可以提前预测刀具的轨迹和切削力，避免碰撞和过切现象，提高加工精度和效率。
虚拟仿真技术在生产过程的优化中也发挥着关键作用。
它可以模拟整个生产线的运行情况，包括物料流动、设备运行、人员操作等。
通过对这些因素的分析，企业可以发现生产过程中的瓶颈环节，进行合理的布局调整和资源配置。
比如，一家工厂发现某条生产线的物料运输效率低下，通过虚拟仿真分析，发现是运输路径不合理导致的。
经过优化运输路径，生产效率得到了显著提升。
对于设备的维护和维修，虚拟仿真技术也带来了新的解决方案。
通过建立设备的虚拟模型，可以模拟设备的故障情况，为维修人员提供培训和演练的机会。
车辆碰撞模拟仿真分析假人模型
关于车辆碰撞仿真分析用人体模型的认识——学习笔记及认识总结李良 车辆工程 30608020406人体模型：以人体参数为基础建立，描述人体形态特征和力学特征的有效工具，是研究、分析、设计、评价、试验人机系统不可缺少的重要辅助手段。
根据人体模型的用途进行分类：1、设计用人体模型——汽车用H 点人体模型2、作业分析用人体模3、工作姿势分析用人体模型4、动作分析用人体模型5、人机界面匹配评价用人体模型6、动力学分析用人体模型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车辆碰撞过程中，车内成员运动的动力学过程具有大位移、非线性、多自由度、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，是进行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研究。
人体模型的结构：（以 MUL3D 汽车碰撞人体运动响应 为例）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根据人体关节的解剖学结构特点选取。
胸部与左右上臂之间的肩关节 ——万向节人机系统匹配评价用人体模型车辆碰撞仿真分析用人体模型左、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——球面副3、为了描述和计算人体与车身有关结构之间的碰撞力，根据碰撞接触的可能形式，将人体模型各组成部分的形状用椭球加以描述，将车身有关结构部分的形状用平面加以描述，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1、人体Hanavan 模型概述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。
从运动生物力学角度看，还要建立运动技术的力学模型，必须知道内在规律和约束条件两类因素。
主流人机工程仿真软件
Ø SoErgo SoErgo可以轻量化导入CAD大模型来创建虚拟环境，同时可以在虚拟环境中定义
精确的国标数字人体，指定其完成作业任务并利用人机工程分析工具来分析任务绩效和人 的表现。此外，SoErgo还利用虚拟现实设备与技术，将传统桌面软件的键鼠式交互变成 第一人称沉浸式交互，极大地增强了用户体验。是国内首款面向工业制造业用户的人机工 程仿真分析软件。
主要模块：数字人体创建及操纵human build、可及域reach zones、任 务分析task analys、车辆分析工具、舒适度分析comfort assessment、障碍 域分析obscuration zones、覆盖域分析coverage zones、反射域分析、视域 分析visual fields、搬运受力分析NISOH、下背部受力分析Lower back analusis、静态强度分析static strength prediction、能量消耗分析。
除了上述核心概念之外，SoErgo还支持多种虚拟现实外设，包括动作捕捉系统、 立体显示系统、数据显示头盔、生理数据采集设备、数据手套等
主要模块及功能：中国标准数字人体、任务仿真、人机工程分析和评价以及虚拟现 实功能支持。中国标准数字人体是根据中国标准化研究院提供的中国标准人体测量数据创 建的数字人体，可以满足后续场景交互、完成特定任务仿真以及人机工程分析的需要。任 务仿真包括轻量化导入CAD模型、建立虚拟的场景并且在场景中与中国标准数字人体进 行交互；人机工程分析评价包括基础性的可视性分析、可达性分析、舒适度分析，也包括 受力、疲劳、能量代谢等生理分析，同时还包括任务工时等任务分析。
Ø Siemens Tecnomatix Jack
Jack 是一款功能强大的人机仿真软件，该软件可以通过仿真技术得到 人体在不同环境中会产生怎样的反应，从而得到与实际情况tix Jack支持在特定的条件下对人体进行模 拟测试，分析出不同环境下人体的受损程度、安全威胁、生命特征、精力消 耗状态以及身体承受极限等重要的数据，在航空航天、能源开采等领域，在 产品设计、产品制造、维修保养、培训、虚拟仿真等场景应用广泛。
仿真技术在工业设计中的应用与发展趋势
仿真技术在工业设计中的应用与发展趋势随着技术的不断进步和工业设计的发展，仿真技术作为工业设计中的重要工具和方法，得到了广泛的应用和发展。
仿真技术可以帮助设计师在产品设计和生产过程中进行虚拟仿真，以减少实际试错成本、提高设计效率和产品质量。
本文将探讨仿真技术在工业设计中的应用和发展趋势。
一、仿真技术在工业设计中的应用1. 产品设计与验证仿真技术可以在产品设计阶段进行虚拟仿真，通过建模和仿真分析来验证产品的功能性、可靠性和性能。
例如，对于汽车行业来说，仿真技术可以帮助设计师模拟车辆在不同驾驶条件下的性能表现，从而优化车辆设计和降低制造成本。
2. 制造过程仿真仿真技术可以模拟和优化制造过程，例如，产品装配、焊接、冲压等工艺过程。
通过仿真，设计师可以发现和解决潜在的工艺问题，提高生产效率和产品质量。
3. 材料仿真材料仿真是仿真技术的重要应用领域之一。
通过材料仿真，设计师可以模拟材料的力学性能、疲劳寿命、耐磨性等特性，从而选择合适的材料并优化产品设计。
4. 人机工程仿真人机工程仿真可以评估人体在工作环境下的舒适度、安全性和效率。
通过仿真，设计师可以优化产品的人机交互设计，提高用户体验和工作效率。
二、仿真技术在工业设计中的发展趋势1. 虚拟现实技术的应用随着虚拟现实技术的快速发展，越来越多的设计师开始将虚拟现实技术应用于工业设计中的仿真。
通过虚拟现实技术，设计师可以进一步增强仿真的真实感和沉浸感，提高设计效率和决策准确性。
2. 云计算与大数据的应用云计算和大数据技术的兴起为仿真技术的发展提供了强大的支持。
设计师可以将大规模的仿真数据存储和分析在云端进行，以提高计算效率和数据处理能力。
同时，大数据技术也可以帮助设计师发现数据背后的规律和趋势，从而优化产品设计和生产过程。
3. 人工智能的集成人工智能技术在工业设计中的应用也逐渐增多。
设计师可以利用人工智能算法来优化产品设计和制造过程，使得仿真分析更加智能化和自动化。
车辆设计中使用的人机工程问题
•随着汽车上的安全装置越来越多, 对试验假人要求 也越来越高。
•制造试验假人的专家通常会到现实的车祸现场去收 集数据, 以使设计出来的假人在碰撞试验的时候更加 接近于真人。
•这两种假人能够测量膝盖和胸腔所受到的来自侧面 冲击力的伤害。一种最新型的假人的名字叫做Thor, 它有一个灵活的髋关节, 能够仿造真人的各种姿态坐 在座椅上, 它从头到脚都布满了各种传感器, 尤其是 可以精确测试到头部和颈部在车祸试验中移动的距 离和力度。
车辆设计中使用的人机工程问题
•7.4×4
• 富豪 XC90 富豪的第一款越野车就成为最安全的型 号并不让人意外, 仅仅有宝马改进型的X5能与之匹敌。刚性 和挤压变形都是所有测试车中最小的。撞击时安全带可能 会对乘客的胸部造成轻微的伤害。儿童座椅约束装置表现 良好, 对行人也提供了较好的防护。
车辆设计中使用的人机工程问题
车辆设计中使用的人机工程问题
•假人都知道什么?
• 假人在碰撞的瞬间记录 下了一系列珍贵数据，下面 将假人的各个部位一一介绍
• 头部: 头部由铝制成， 并覆以橡胶制成的“肉体” 。在内部，三个加速计成直 角分布，每一装置在碰撞时 记录下这一点的受力情况和 加速度。
车辆设计中使用的人机工程问题
• 颈部（如图右侧）: 这一装置 在碰撞过程中记录了作用于颈部 向前及向后的拉应力、压应力以 及剪切应力。胸部（正面碰撞） : Hybrid III假人胸腔上的传感器 记录了可能导致受伤的结果，如 安全带过紧。
车辆设计中使用的人机工程问题
•9.敞篷跑车 (Open)奥迪 TT
• 在对这款车进行前部撞击测试时, 活动顶篷是处于放下状态 的, 以此希望得到最坏情况下的撞击结果。而在侧面的碰撞测试时, 活动顶篷处于升起状态, 这样用来测试顶篷的支撑杆是否有可能会 给乘客头部造成伤害。但是值得注意的是, 这款车对行人的安全防 护措施非常糟糕--未能得到一颗星。
人机工程学中的人体模型与仿真分析
人机工程学中的人体模型与仿真分析人机工程学是一门研究人类与技术系统之间的交互关系，以提高工效、安全性和满意度为目标的学科。
在这个领域中，人体模型与仿真分析起到至关重要的作用。
人体模型是对人类身体结构和运动进行建模的数学表达，而仿真分析则用于模拟和评估人类在各种工作环境中的表现。
首先，人体模型在人机工程学中有着重要的应用。
通过研究人体的解剖结构、生理功能和运动机制，我们可以创建准确的人体模型，包括骨骼、肌肉、关节和内脏等。
这些模型可以用于工程设计和产品开发中，帮助设计师预测和评估不同工作场景下人体的表现。
例如，在汽车工业中，人体模型可以用于评估驾驶员在驾驶过程中的姿势、视线和操作的舒适度，从而优化车辆的设计。
在航空航天领域，人体模型可以用于模拟宇航员在重力变化和微重力环境下的行为，以制定合理的航天器内部布局和操作流程。
人体模型还可以应用于人体工程学和人体运动的研究，为人类健康和安全提供支持。
其次，仿真分析是人机工程学中的一项重要技术。
通过仿真分析，我们可以利用人体模型来模拟人类在各种工作环境中的行为和表现。
例如，在电子设备生产工厂中，可以使用仿真软件来模拟工人在不同的装配任务中的动作和姿势，以评估工人的疲劳度和姿势危险度，并提供相应的人体工程设计指导。
在军事领域，仿真分析可以帮助军事人员模拟战场环境中的行为，预测不同策略和装备对作战效果的影响。
仿真分析还能够应用于电子游戏、虚拟现实等领域，以提供更加真实和逼真的用户体验。
同时，人体模型与仿真分析也面临一些挑战和限制。
首先，人体模型的准确性是一个关键问题。
人体的结构和运动机制非常复杂，人体模型需要考虑到骨骼、肌肉、关节、脏器等多个因素，并且不同人群之间还存在一定的差异。
因此，建立一个准确的人体模型是一项具有挑战性的任务。
其次，仿真分析需要考虑到大量的参数和变量，包括环境因素、任务要求、人体生理特征等。
如何确定合适的参数和变量对于仿真分析的准确性和可靠性非常重要。
虚拟仿真技术在汽车工程中的应用
虚拟仿真技术在汽车工程中的应用随着科技的不断发展，虚拟仿真技术在各个领域中的应用也日益广泛。
而在汽车工程领域中，虚拟仿真技术的应用更是为汽车研发和生产带来了革命性的变化。
本文将探讨虚拟仿真技术在汽车工程中的应用以及对汽车行业的影响。
首先，虚拟仿真技术在汽车设计过程中发挥了重要作用。
传统的汽车设计过程需要大量的实际概念验证和模型制作，耗时费力。
而借助虚拟仿真技术，工程师们可以使用计算机软件进行各种仿真实验，快速准确地评估设计方案的性能、安全性和可靠性。
例如，借助计算流体力学仿真软件，工程师们可以模拟气流在汽车外形上的分布情况，优化汽车的空气动力学性能，降低风阻和气动噪声。
通过这种方式，汽车设计过程更加高效和精确，大大提高了产品研发的效率。
其次，虚拟仿真技术在汽车制造过程中也起到了至关重要的作用。
传统的汽车生产需要大量的实际物理试验和样车生产，不仅耗时费力，而且成本高昂。
而借助虚拟仿真技术，汽车制造企业可以进行数字化生产线设计和工艺规划，模拟整个生产过程中的物料流动、装配工艺和质量控制。
这不仅可以降低生产成本，还可以提高生产线的效率和灵活性，以及保证产品的质量和可靠性。
此外，虚拟仿真技术还可用于培训生产线员工，通过虚拟现实技术再现生产过程，帮助员工更好地掌握操作技能，减少操作错误和事故发生的可能性。
此外，虚拟仿真技术还对汽车性能评估和安全测试产生了深远的影响。
传统的汽车性能评估和安全测试通常需要在实际道路条件下进行，不仅耗时费力，而且有一定的风险。
然而，虚拟仿真技术可以通过模拟各种驾驶条件和道路情况，对汽车的性能和安全性进行全面准确的评估。
通过虚拟仿真技术，工程师们可以在计算机中模拟各种紧急情况和碰撞测试，预测车辆的受损程度和乘员的安全性。
这不仅可以减少实际测试的数量和危险，还可以提高测试的准确性和可靠性。
最后，虚拟仿真技术还对汽车维修和售后服务产生了积极的影响。
借助虚拟仿真技术，汽车制造商可以为技术支持和培训提供更好的服务。
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CATIA人机工程模块
• CATIA V5中的人机工程模块是商业人机工程软件 Safework的简 根据一般应用要求，分成了4个部分：
– 人体建模（Human Builder）
• 在虚拟环境中建立和管理数字人体模型，并对产品进行简单的 人机工程分析
– 人体模型尺度编辑（Human Measurements Editor）
IK特性
保持视线方向 胸椎、腰椎 水平移动、垂直移动、横向转动、纵向转动 姿势得分、RULA得分 手 骨盆运动
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人体模型的定位 姿势评估 其它分析
4.汽车人机工程虚拟仿真
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7.3.1 人体模型的定位
• 人体模型的位置和姿势是影响工效分析结果的重 要因素
– 一方面，位置和姿势要根据设计参数来定位，并与设计 要求和意图相符，不合适的人体位置和姿势描述的作业 空间却与设计意图不符 – 另一方面，姿势的差异导致分析结果可能大相径庭，不 准确的姿势会使视野、操作力等分析结果和优化方向偏 离正确的方向 – 此外，姿势还必须与真人的姿势和习惯接近
8
7.2.1 建立目标群体人体数据
• 创建一个新人体数据文件（扩展名为 第一步 “.sws”），如：Chinese.sws • 在人体数据文件中输入目标群体人体数据特 第二步 征 • 将所建立的人体数据文件添加至CATIA中
第三步
9
7.2.1 建立目标群体人体数据
• 数据格式
– 每 一 个 人 群 数 据 文 件 最 多 包 含 “ MEAN_STDEV M”、 “MEAN_STDEV F”、“CORR M”、“CORR F”四个字段，字段 后面为数据，其格式为：
<人体尺度变量> <均值> <标准差>
<人体尺度变量1> <人体尺度变量2> <相关系数>
– 数据文件格式示例（表中人体尺寸数据的单位是cm）：
MEAN_STDEV M us100 MEAN_STDEV F us100 CORR M us2 CORR F us2 END 177.0 165.0 us125 us125 6.1 5.9 0.772 0.773
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7.2.1 建立目标群体人体数据
• 当人体数据文件已经建立之后，在CATIA主菜单中选择“工具”→“选 项”菜单，弹出选项对话框。单击“Safework\Human Measurements Editor”选项，出现“Anthropometry”属性页
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7.2.2 建立用于分析的人体模型
• 进行产品的人机工程分析，建立合适的人体模型 至关重要 • 考虑一般应用情况，通常将群体分为男子和女子 两部分；对于每种性别，则根据身高的百分位、 坐高和腰围划分为不同的类型；据此建立一组用 于分析的人体模型
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7.2.2 建立用于分析的人体模型
• 典型情况下
– RAMSIS将每种性别的人分为5th、50th和95th百分位三种 身高（甚至是五种） – 将坐高（躯干长度）分为高、中等、矮三种 – 将腰围分为大、中、小三种 – 单一性别的群体总共生成27个（或45个）人体模型
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7.2.2 建立用于分析的人体模型
21世纪全国高等院校汽车类创新型应用人才 培养规划教材《汽车人机工程学》配套课件
第七章 汽车人机工程虚拟仿真
课件制作：任金东 2010年9月
目录
7.1 CATIA人机工程模块简介 7.2 人体模型的建立 7.3汽车人机工程虚拟仿真
7.1 CATIA人机工程模块简介
3
CATIA V5
• CATIA （ Computer Aided Tri-dimensional Interface Application）是法国Dassault System公司开发的世界 主流的产品CAX/PDM/PLM一体化软件系统 • 其集成解决方案覆盖几乎所有的产品设计与制造领 域 • CATIA V5版本是IBM和Dassault System在为数字化企 业服务过程中不断探索的结晶，对产品概念设计、 详细设计、工程分析、工艺和制造、以及产品整个 生命周期中的使用和维护提供了一整套解决方案
• 当分析内容和目的明确的条件下，从中能够进一 步选出用于分析的人体模型，以减少分析工作量 • 例：分析轿车前方视野和头部空间
人体模型 分析内容 性别 上视野 前方视野 下视野 头部空间 女 男 5th百分位 95th百分位 矮 高
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身高等级 95th百分位
坐高 高
男
7.2.3 设置人体模型的属性
• 为了应用方便，以及功能上的需要，通常要设置 人体模型的属性 • 在CATIA图形界面内，鼠标右键单击产品树上的某 个人体模型，弹出右键菜单；选择“属性”菜单 项，弹出“属性”对话框
• 该对话框中的人体模型属性包括名称、外观颜色 、显示、视野、人体测量学、基准点、IK特性、关 节角度极限、首选关节角度、绑定等
• 对人从事某种工作的特定活动行为进行分析
6
建立目标群体人体数据 建立用于分析的人体模型 设置人体模型的属性
7.2 人体模型的建立
7
7.2.1 建立目标群体人体数据
• 在缺省情况下，CATIA人机工程模块中包含美国、 加拿大、法国、日本和韩国的人体数据
• 如果产品面向的目标群体是其他的国家和地区， 并且目标群体与上述国家的人体数据有明显差别 ，则应该根据目标群体的人体数据建立人体数据 文件，并将其加入到CATIA系统中
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7.2.3 设置人体模型的属性
属性项
显示 渲染选项 视野显示 其它选项 视野类型 视野极限 视野距离 人群 性别 身高百分位 体重百分位 视线和头部 脊椎 骨盆 优化 注视 平衡
视野
人体测量 学
内容和选项 杆状肢体段、椭圆断面线、曲面、分辨率 视线、视野、视锥 显示重心、显示基准点 双眼、左右单眼总视野、左单眼、右单眼、立体 水平双眼、水平左右单眼总视野、垂直上极限、垂 直下极限、视锥 焦距 美国、加拿大、法国、日本、韩国 男、女
• 通过对人体测量学参数进行编辑，使人体模型的尺度（群体、 性别、人体尺寸、质量）符合用户使用要求
– 人体姿势分析（Human Posture Analysis）
• 对关节自由度范围和当前姿势进行编辑，设置首选角度及其得 分，并对姿势进行分析和优化
– 人体活动分析（Human Activity Analysis）