多刚体人体模型及碰撞过程仿真

２　０　０　７年１月　农业机械学报　第３８卷第１期　多刚体人体模型及碰撞过程仿真　赵桂范　杨　娜　【摘要】采用符合中国人体特征的参数，建立１６刚体的行人模型，在人体的主要部位生成简易的弹簧阻尼运　动关节。并建立汽车模型与汽车一行人碰撞模型，应用ＡＤＡＭＳ软件模拟仿真碰撞过程。研究了汽车与行人碰撞过　程中的运动学和动力学特性，分析了人体主要部位在受撞击时的加速度响应和碰撞过程中行人行走方向与汽车行　驶方向夹角变化时的碰撞响应。　关键词：车辆碰撞仿真多刚体模型　中图分类号：ＴＰ３９１．９；Ｘ９１２．９；Ｕ４６　文献标识码：Ａ　

Ａ　Ｒｉｇｉｄ　Ｍｕｌｔｉ－ｂｏｄｙ　Ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｉｍｐａｃｔ　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ　Ｚｈａｏ　Ｇｕｉｆａｎ　Ｙａｎｇ　Ｎａ　（Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｓｉｘｔｅｅｎ—ｒｉｇｉｄ　ｂｏｄｙ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｂｕｉｌｔ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．　Ｓｐｒｉｎｇ－ｄａｍｐ　ｊｏｉｎｔｓ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐａｒｔｓ　ｏｆ　ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ．Ｖｅｈｉｃｌｅ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｉｍｐａｃｔ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ＡＤＡＭＳ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｋｉｎｅｔｉｃ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ　ａｎｄ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ａｎｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｉｍｐａｃｔ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ’Ｓ　ｍａｉｎ　ｂｏｄｙ　ｐａｒｔｓ　ａｎｄ　ｉｍｐａｃｔ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｈｅａｄ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ—ｖｅｈｉｃｌｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ａｎｇｌｅｓ　ａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ａｃｃｉｄｅｎｔｓ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ’Ｓ　ｂｏｄｙ　ｉｎｊｕｒｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｖｅｈｉｃｌｅ，Ｉｍｐａｃｔ，Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｒｉｇｉｄ　ｍｕｌｔｉ—ｂｏｄｙ　ｍｏｄｅｌ　

引言　在行人与车辆碰撞的交通事故中，行人的伤害　部位以头部和腿部为主，分别占３２　和４０　。而头　部伤害致死占行人死亡总数的６４　。　鉴于中国人体特征和西方人体特征存在较大差　别，本文构造了符合中国人体特征的人体多体系统　模型并建立了整个人机系统的模型，用于实现人机　系统的运动仿真研究。采用虚拟样机技术将多体系　统动力学的建模方法与大位移、非线性求解功能相　结合，对行人与汽车碰撞过程进行仿真分析。　１汽车人体系统的碰撞动力学方程　１．１广义坐标的选择　动力学方程的求解速度很大程度上取决于广义　坐标的选择。用刚体的质心笛卡尔坐标和反映刚体　方位的欧拉角（或广义欧拉角）作为广义坐标，即　口】＝＝Ｅｘ，　，ｚ，９，０，　］　，口一［　，…，　］　。由于采用了　不独立的广义坐标，系统动力学方程是最大数量但　却高度稀疏耦合的微分代数方程，适于用稀疏矩阵　的方法高效求解　。　１．２动力学方程的建立　采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程，矩阵　形式为　（　１　一（　１　＋　ｐ＋　一Ｑ　（１）　五＼面Ｊ一＼面Ｊ十　ｐ十　工Ｊ—　ｌ　

ｇ（ｑ，￡）一０　（２）　Ｏ（ｑ，　，￡）：０　（３）　式中丁——系统动能　口——系统广义坐标列阵　

收稿日期：２００５—０７—２９　赵桂范哈尔滨工业大学汽车工程学院教授，２６４２０９　山东省威海市　杨娜哈尔滨工业大学汽车工程学院硕士生　

维普资讯 http://www.cqvip.com 农业机械学报　ｆＦ（ｑ，ｌｌ，ｌｌ，Ｊ；Ｉ，ｆ）一０　．｛Ｇ（ｕ，　）＝ｕ－ｑ＝Ｏ　（４）　【　（窖，￡）：０　

２行人多刚体模型的建立　

表１人体模型的基本参数　Ｔａｂ．１　Ｂａｓｉｃ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｈｕｍａｎ　ｂｏｄｙ　ｍｏｄｅｌ　

图１人体模型实体图　Ｆｉｇ．１　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｓｏｌｉｄ　ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ　

图２人体结构轴线图　Ｆｉｇ．２　Ａｘｅｓ　ｏｆ　ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ　ｆｒａｍｅ　

为了使行人能够行走，需要在人体的腿部、臂部　和脊椎等部位生成运动关节。运动关节的简易模型　为弹簧阻尼结构，其刚度系数矩阵和阻尼系数矩阵　按照有关关节生物力学方法与数据确定［４］。如图３　所示。　

图３运动关节的简易模型　Ｆｉｇ．３　Ｓｐｒｉｎｇ—ｄａｍｐｅｒ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｋｉｎｅｍａｔｉｃ　ｊｏｉｎ　ｔ　

利用ＡＤＡＭＳ软件进行仿真。在本模型中使用　ＭＯＣＡＰ数据驱动人体运动。常用的应用是从数字　化资料来源中给人体模型提供一种运动，例如：从运　动获取装置中提供（主动／被动标记跟踪系统）运动　来获取系统追踪附加在身体不同位置标记号的轨　迹。用标记号的轨迹来驱动人体模型，记录人体的响　应，然后再用于正向动力学仿真。　标记号轨线数据用来驱动所谓的运动主体这些　元素。运动主体就是使用弹簧元素固定在人体上的　无质量的物体。通过这些附加装置，运动主体就是运　

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期　赵桂范等：多刚体人体模型及碰撞过程仿真　动影响而不是运动管理。这个提供了介于人体模型　和真实人体的几何学差异，同样也提供了运动主体　位置的差异。　运动主体以小球体形式显示在模型上，如图４　所示。浅色球体描绘了附属于轨迹数据的无质量物　体的位置，深色球体（如图４）是一个刚性附着在人　体模型各部分的端点，这２个球体通过轴套弹簧力　联接。轴套弹簧力有６个分量（３个力和３个力矩）。　

图４行人运动机构示意图　Ｆｉｇ．４　Ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ　３汽车碰撞模型的建立　汽车的前部由保险杠、发动机盖边缘、发动机盖　顶、挡风玻璃等部分构成。汽车的４个车轮用４个同　样大小的圆柱体描述［５］，通过车轮与地面的摩擦力　产生制动减速度，减速度为０．７ｇ。汽车前部各部分　的力一变形函数从文献数据中获得，行人脚部与地面　的摩擦因数定义为０．７，汽车与地面的摩擦因数定　义为０．６７，身体各部分与汽车前部的接触摩擦因数　定义为０．５。汽车总质量为１　０５０　ｋｇ，基本尺寸为：轴　距２　４６８　ｍｍ，后轮轮距１　６８８　ｍｍ，质心至前轮纵向　距离９１９　ｍｍ，质心至左前轮横向距离７５６　ｍｍ。　４汽车一行人碰撞过程仿真及结果分析　假设行人行走速度为１．５　ｍ／ｓ，汽车行驶速度　为４０　ｋｍ／ｈ，行人行走方向与汽车行驶方向呈９０。夹　角，行人模型的碰撞位置在汽车前端的中部。由于在　碰撞事故中，大多数是行人侧面与汽车发生撞击，本　节中模拟行人侧面与汽车的碰撞过程，如图５所示。　其中，时间步长为　＝０．１　Ｓ，开始时刻为ｔ：０，终止　时刻为￡一５．０　Ｓ。　通过模拟仿真碰撞过程，可以知道：当行人与汽　车相撞时，行人的小腿（或膝关节）首先与汽车的保　险杠接触，然后是大腿与发动机盖边缘接触。下肢向　前作加速运动，而上半身则相对于汽车作旋转运动。　行人的骨盆和胸部分别撞在发动机盖的边缘和顶　部，头部则可能撞在发动机盖顶或挡风玻璃上。　通过ＡＤＡＭＳ软件，模拟计算了碰撞过程中行　人３个主要部位的动力学参数：头部加速度、右小腿　加速度、右膝加速度，得出动力学响应曲线，如图６、　图７和图８所示。　图５行人侧面与车辆碰撞仿真结果　Ｆｉｇ．５　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ　ａｎｄ　ｖｅｈｉｃｌｅ　１５００　姜１０００　５００　鬯０　５ｏ０　基　图６头部加速度曲线　Ｆｉｇ．６　Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｅａｄ　时间／ｓ　图７右小腿加速度曲线　Ｆｉｇ．７　Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｉｇｈｔ　ｌｏｗｅｒ—ｌｅｇ　图８右膝加速度曲线　Ｆｉｇ．８　Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｉｇｈｔ　ｋｎｅｅ　通过计算行人头部、右小腿、右膝等处的加速度　可以预测碰撞事故中行人的损伤风险，并根据计算　出的速度、加速度曲线得到身体各部分的速度、加速　度峰值及其运动变化情况。从图６中可以看出，当　ｔ一４。６　Ｓ时，行人头部与汽车发动机罩盖碰撞，头部　的加速度峰值高达２　３７５　ｍ／ｓ　。由图７和图８可以　知道：ｔ＝０．８　Ｓ时，右腿与汽车挡风玻璃碰撞，右小　腿的加速度峰值为１　２６０　ｍ／ｓ　，此时右膝的加速度　峰值高达３　４５０　ｍ／ｓ　。这说明行人与汽车发生碰撞　时，头部加速度产生突变，是造成行人死于脑损伤的　主要原因之一。小腿和膝关节也受到巨大的损伤。　为了进一步分析人的头部在碰撞中的损伤，分　如∞如∞∞　｛　晨　

维普资讯 http://www.cqvip.com ４８　农业机械学报　别对行人行走方向与汽车行驶方向夹角为６０。、９０。、　１２０。的碰撞过程进行了仿真。从图９中可知夹角为　９０。时，行人头部受到的撞击力最小，峰值仅８００　Ｎ。　而夹角为６０。时，行人头部的撞击力最高，峰值高达　

ｆ　一　一、　角　

时间／ｓ　图９行人头部撞击力曲线　

Ｆｉｇ。９　Ｉｍｐａｃｔ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ　ｈｅａｄ　

１　５９０　Ｎ。夹角为１２０。时，头部撞击力峰值比夹角为　６０。时的峰值稍低。　

５结论　（１）通过仿真，得到了人体关键部位加速曲线　以及行人行走方向和汽车行驶方向呈不同角度时人　体头部所承受的撞击力曲线，反映了碰撞事故过程　中人体受力情况。　（２）经过验证的假人数学模型可以逼真地模拟　真实的碰撞过程，达到预测主要部位动力学响应和　保护行人的目的。　

参考文献　Ａｕｇｕｓｔｕｓ　Ｃ　Ｂ·Ｃｈｉｄｅｓｔｅｒ，Ｉｓｅｎｂｅｒｇ　Ｒｕｔｈ　Ａ。Ｔｈｅ　ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ　ｃｒａｓｈ　ｄａｔａ　ｓｔｕｄｙ［Ｒ］。Ｎａｔｉｏｎａ１　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｔｒａｆｆｉｃ　Ｓａｆｅｔｙ　Ａｄｍｉｍｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｐａｐｅｒ　Ｎｏ。２４８。　方远羽，陈安宁，董卫平。振动模态分析技术［Ｍ］。北京：国防工业出版社，１９９３：６５￣８７。　Ｂｒｕｃｋｎｅｒ　Ｆ’Ｋｒｉｎｇｓ　Ｈ·Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｆａｓｔｅｎｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｓａｆｅｔｙ　ｇｌａｓｓ［Ｊ］。ＪＳＡＥ　Ｒｅｖｉｅｗ，６８０７８８郑秀嫒，贾书惠。运动生物力学进展［Ｍ］。北京：国防工业出版社，１９９８：２０４￣２４９李莉，杨济匡。汽车与行人碰撞的动力学响应仿真研究［Ｊ］。计算机仿真，２００３，２０（３）：４９￣５３