基于SolidWorks的实验假人

基于SolidWorks的实验假人 骨架模型的惯性参数分析

摘 要 本文对研制的实验假人人体骨架模型的惯性参数运用SolidWorks进行了计算和分析，介绍了该方法和分析的过程，所得的结果为仿真假人的进一步研制提供了动力学分析的基础。

关键词 人体惯性参数；实验假人人体骨架模型；人体体段

1 引言

随着社会的发展和科技的进步，汽车作为高生活水平的标志走进越来越多的家庭里，人和汽车的安全性受到越来越多的重视。为了从科学的角度确保人体的安全，人们正在进行各种各样的试验研究，如汽车碰撞试验，飞机弹射座椅研制试验，跳伞试验，直升飞机着地试验等，其中很多是具有危险性的试验。在这些实验中，都需要用假人来代替真人以获得所需的物理参数和其它相关的人体响应参数。仿真实验假人人体骨架模型惯性参数的计算和分析将为仿真假人的进一步研制提供重要的依据和动力学分析的基础。

2 仿真假人的结构特点

实验假人是在借鉴国外同类人体模型的设计经验的基础上初步研制的，其尺寸和质量为中国成年男性人口的90百分位，设计包括部件运动范围、质心和质量。同时假人的设计依照如下三点原则：力学结构的仿真性、力学性能的相似性和重复使用性。在SolidWorks中建模，该假人人体骨架模型如图1所示。

该假人人体骨架模型的结构特点是[1]：

（1）颅骨由两块形似人体头部的精密铸铝件加工而成。

（2）颈部为圆柱型异丁橡胶和铝间隔，通过整体合模硫化而成。整个颈部前倾15°安装在托架上。托架采用齿啮合定位，该设计便于调整前倾角度。同时在颈部的轴线上设计了钢索，用以限制其伸长量、控制响应并提高其耐久性。

（3）胸腔由钢制胸脊柱、铸铝锁骨、铸铝肩胛骨、钢制肋骨组成。锁骨与肩胛骨之间有较柔软的橡胶衬垫，可有效地吸收冲击能。脊柱采用钢板焊接而成，内为空腔，设计时参考了人体的生理弯曲角度。6根肋骨的材料选用65锰钢再进行热处理，内衬聚合物基阻尼材料。根据人体解剖学，每一根肋骨设计成左右肋为一整体，前方断开，后面固定到胸脊柱上。同时，肋骨前方用胸骨部件连接。

（4）腰椎为聚丙烯酸酯橡胶材料，向前弯曲。同时，腰椎里设置钢索，在不减弱弹性和改变形状的前提下增加强度。腰椎下部放置在托架上。 （5）骨盆为整个上身重量的承载体，为铸铝件。它包括两对球窝状股骨关节，它们可作与人相似的相对运动。 （6）大腿骨的材料为普通碳钢。

（7）膝盖滑动机构为钢制滑块，它装有安置在铝膝盖罩内的压铸成型的吸能橡胶件，可有效地减振。 （8） 小腿、上臂构件采用无缝钢管焊接而成。

（9） 钢制踝关节可在50°的范围内作平面转动，同时能在该平面的垂直平面内作小角度摆动。 （10） 脚部为钢板焊接而成。

3 人体惯性参数术语和人体体段的划分

由GB/T 17245-2004确立的以下术语和定义适用于本试验计算。

[2，3，4，5]

3.1 术语

（1）人体惯性参数：人体质量、质心位置及转动惯量的总称。

（2）人体环节（人体体段、人体环段）：把人体按骨性标志分割成若干段，每段称人体环节。 （3）人体体段转动惯量：指组成人体体段的各部分质量对指定轴的转动惯量。

（4）额状轴：指在人体呈直立姿势时，通过质心垂直于矢状面的轴，亦称X轴，轴正方向向左。

（5）矢状轴：指在人体呈直立姿势时，人体矢状面上通过质心垂直于脊柱的轴，亦称Y轴，轴正方向向前。 （6）垂直轴：指通过质心垂直于额状轴和矢状轴组成平面的轴，亦称Z轴，轴正方向向下。 注：当人体姿势改变时，对各人体环节仍然沿用直立姿势的轴系，转动惯量的大小随姿势的改变而变化。 人体的参考坐标系按右手规则，如图2所示。

3. 2 人体环节划分

3.2.1 人体环节划分原则

人体环节划分的分界点应明显、易于测量，并与人体体表尺寸有良好的相关性。 3.2.2 人体环节划分方法

人体环节划分以明显的骨性标志为分界点，将人体分为头颈、上躯干、下躯干、左上臂、右上臂、左前臂、右前臂、左手、右手、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左足、右足、共15个部位。 3.2.3 人体环节划分分界点

（1）人体环节划分分界点中采用的术语与用于技术设计

的人体测量基础项目中给出的人体测量术语相一致。

（2）人体环节划分分界点。人体环节划分和人体环节分界点位置如图3所示。

该假人人体骨架模型的体段划分和人体体段划分的方法一致。各部分质心位置指从测量点起至环节的质心的距离，整体质心起点为头顶点，各部分转动惯量指该部分绕通过质心的轴的转动惯量。

4 验证SolidWorks计算模型惯性参数的可行性

为了验证SolidWorks计算模型惯性参数的可行性，我们选取了一些简单的形体进行验证。我们分别选取： ①圆柱体：底面半径R=0.03m，高H=0.1m。 ②圆锥体：底面半径R=0.03m，高H=0.25m。 ③球体：半径R=0.03m。

材料均为普通钢材，其密度ρ=7.8 Kg/ 。

4.1 模型计算

在模型中，我们同样以X、Y、Z轴表示额状轴、矢状轴、垂直轴。描述的是通过型体质心的转动惯量，其中Ix为绕额状轴的转动惯量；Iy为绕矢状轴的转动惯量；Iz为绕垂直轴的转动惯量。 质心位置指底面中心位置到质心的距离。

质量的单位为Kg，质心单位为mm，转动惯量的单位为

经理论计算和在SolidWorks中建模并计算的结果如表1所示。

。

4.2 误差分析

4.2.1 质量的相对误差

（1）式中，△1、 △2 、 △3 分别表示圆柱、圆锥和球体的质量相对误差，m1 、m2 分别表示理论计算和在SolidWorks中计算的质量。 经分析可知，相对误差 △<<5%，则用SolidWorks计算的结果符合计算要求。 4.2.2 垂直轴转动惯量Iz的相对误差

（2）式中， △'1、 △'2 、 △'3 分别表示圆柱、圆锥和球体的垂直轴转动惯量Iz的相对误差，IZ1 、IZ2 分别表示理论计算和在SolidWorks中计算的垂直轴转动惯量。

经分析可知，相对误差△' <<5%，则用SolidWorks计算的结果符合计算要求。 其它轴的转动惯量同理可知，△\，因此用SolidWorks计算的结果符合计算要求。 4.2.3 质心误差

由表1可知，SolidWorks计算的质心位置和理论计算结果完全一致。

4.3 讨论

由表格1和以上的计算分析可知，理论计算的结果和用SolidWorks计算的结果几乎一致，误差的来源是选取有效位数不一致而引起的。由于人体骨架模型也是由一些简单的型体装配起来的，因此，可用SolidWorks计算和分析人体模型的惯性参数。

5 惯性参数分析

5.1 假人人体骨架模型惯性参数分析

在SolidWorks中建立模型后，按照以上的原则，我们对模型整体和各体段的惯性参数进行分析，得出结果如表2所示。

5.2 假人人体骨骼模型各体段相对质量分布

以下，我们对该假人人体骨骼模型各体段相对质量的分布进行了计算，如表3 所示。

6 试验结果分析及结论

运用SolidWorks，经初步计算获得了该假人人体骨架模型的惯性参数，对该假人人体骨架模型惯性参数的计算和分析为仿真假人的进一步研制提供了基础。由于质心处的加速度与该环段质量的乘积代表动态力，转动惯量代表着动态力矩，该计算分析为实验假人的动力学分析提供了有效的支撑。

参考文献

[1] 余翔，袁中凡，郭祚达，林大全．汽车正面碰撞工艺实验假人的研制．四川大学学报（工程科学版），2002，34（3）：118-121 [2] 戢敏，袁中凡，林大全．仿真假人人体参数的计算和分析[J] ．中国测试技术，2003（4）：37-39 [3] 刘静民，金季春．中国成年人人体惯性参数国家标准的制定[D] ．北京：北京体育大学，2004 [4] GB/T 17245-2004，《成年人人体惯性参数》国家标准[S]

[5] 刘静民，仰红慧．人体转动惯量的研究综述[J] ．体育科学，2001，21（4）：81-86 收稿日期：9月10日 修改日期：10月27日

作者简介：欧协锋（1983-），男，四川大学制造科学与工程学院在读硕士研究生，主要研究方向：机械设计与材料等效；袁中凡（1950-），男，教授，博士生导师，四川大学制造学院汽车及机械电子工程系主任、“人机系统及仿生工程四川省重点实验室”主任，四川省学术技术带头人。主要从事测试及动态信号分析、人机及相关技术研究。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/z8yt.html