中国体态假人模型与FAA Hybrid Ⅲ 型假人模型冲击差异性分析

李杰　解江　袁鹏　冯振宇

【摘 要】以分析中国体态假人与FAA Hybrid Ⅲ型假人模型差异性为目的，依据中国人体体态数据，运用MADYMO/Scaler软件模块，建立中国成年男性50百分位体态假人模型。以某客舱段布置为基础，建立了两类假人的约束系统模型，按照CCAR第25.562条的规定，进行了水平冲击仿真试验。研究结果表明：中国50百分位身材的假人模型头部损伤风险明显大于FAA Hybrid III 型假人模型；而胸部、颈部和盆骨处的损伤风险具有差异性，其差异普遍为20%-30%；此外，由于假人下肢长度及座椅高度的影响，下肢载荷差异显著。

【关键词】动态冲击；假人模型；中国人体；仿真

0 引言

对航空事故的调查表明，如果飞机结构设计过程中考虑坠撞安全性因素，那么92.8%的坠撞事故都将是可生存或部分可生存的，从而可以大大提高乘员的生存率[1-2]。目前，飞机乘员保护相关条款的符合性，主要还是依靠整机及部件试验进行验证，而在飞机坠撞试验中，欧美各国的法规均要求使用 Hybrid III 型50百分位男性假人，以此考虑飞机在坠撞过程中，人体的响应数据和伤害指标。该型假人身高175.5cm，体重78.15kg[3]，然而，我国50百分位成年男子身高为168.5cm ，体重为65.5kg，与上述假人的身材有较大不同。因此，对于安全性要求严格的航空业，在试验中使用Hybrid III 型50百分位男性假人，能否正确反映中国人体的动态响应数据，座椅等产品的设计是否满足设计要求，值得我们加以研究。

国外对于假人及其动态响应进行了大量的研究。从1960年开始，美国RSD公司和通用汽车研发了Hybrid系列假人，已广泛用于汽车和航空航天领域，目前已发展到了Ⅲ型。80年代初期，美国开始发展乘员逃逸系统测试（CREST）计划。到1983年，成功研制了肢体约束评估假人（LRE）。在实施CREST计划后期，研究人员发现LRE未能完全满足试验要求，于1989年完成了ADAM假人的研制 [4]。Carmen Rodarius等人基于人体缩放理论，建立了三类人体碰撞模型，并对其动态响应进行了分析[5]。

我国对于假人的研究起步较晚，而且主要集中在假人建模方面。航天医学工程研究所于 2002 年开始研发我国新一代弹射座椅试验用SZM510型假人，马红磊等人将其与Hybrid Ⅲ 型假人的冲击响应特性进行比较，表明SZM510假人能够适用于高冲击过载下的乘员安全性评价 [6]。四川大学的陈爽等人，基于有限元法，完成了95%国产假人的研制。标定结果表明，灵活运用有限元分析方法能够实现碰撞假人力学结构的仿真性[3]。戢敏等人建立了我国50百分位飞行员参数特征的假人下肢有限元模型，对直升机抗坠毁试验中的假人下肢动力学性能进行了研究[7]。

本文以上观点出发，首先参照国家体育总局等单位公布的《2000年国民体质监测报告》中的中国人体体态数据，以MADYMO软件假人库中的 FAA Hybrid III 型假人为基础，应用MADYMO/Scaler 程序建立符合中国人体的假人模型，按照CCAR25.562的要求，进行水平动态冲击仿真试验，最后整理仿真结果数据，分析中国体态假人与 FAA hybrid III假人的差异性。

1 假人建立方法

在交通工具及其约束系统的设计中，使用符合实际要求的假人至关重要，这样可以准确评估人体的真实响应和各项指标。MADYMO软件基于以上观点的考虑，提供了MADYMO/Scaler 程序，方便设计人员根据具体的设计目的，在现有假人库仿真假人的基础上，对其各部位尺寸进行修改，得到目标假人。

MADYMO/Scaler 程序使用其先进的非线性缩放方法，能够缩放所有的机械参数，包括铰链的刚度和阻尼。第一阶段，以参考假人为基础，根据用户输入的特定尺寸，程序根据其特有的缩放因子，生成目标假人。经过这一阶段的缩放后，结果模型的尺寸、质量、转动惯量、关节位置、椭球体参数、力模型、铰链模型和接触特性被控制，但由于多个因子的复杂缩放，致使主要尺寸和质量有些偏差，需要第二阶段进行修正。在第二阶段，MADYMO程序将第一阶段用过的缩放因子乘以一系列的修正系数进行最终修订，其最佳修正系数根据数值最优化确定，最终生成一个最优的缩放模型。

2 中国人体体态数据

2000年，国家体育总局、教育部、科技部、国家民委、民政部、财政部、农业部、卫生部、国家统计局、全国总工会10个部门联合在全国31个省（区、市）进行了国民体质监测工作，根据监测数据发布了《2000年国民体质监测报告》。

该报告公布的中国人体主要尺寸包括：身高、体重、大臂长、小臂长、大腿长、小腿长等六项。同时，公布了中国人体坐姿尺寸，其包括：坐高、坐姿眼高、坐姿颈椎点高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距和坐姿下肢长等十一项数据。

3 中国体态假人的建立

参考《2000年国民体质监测报》中50百分位男性体态数据，在Hybrid III 型50百分位男性FAA假人（参考假人）基础上，使用MADYMO/Scaler 程序，生成中国人体体态的假人模型（目标假人）。同时，对目标假人进行测量，将其与实际人体体态数据对比，确保目标假人满足中国人体体态数据要求。

4 乘员—座椅约束系统仿真模型的建立

4.1 系统模型的建立

仿真系统模型中，主要包括客舱框段（舱壁、前部分舱板和地板）、座椅、约束系统（安全带）和假人组成。如图1所示，客舱框段和座椅为某客舱机身框段头排单人座椅模型，都为多刚体模型，同时在座椅靠背，坐垫处增加了铰链刚度，以此模拟实际的座椅特性。

图1 仿真系统模型图

约束系统（安全带）类型为飞机乘员通常所使用的两点式腰部安全带，采用MADYMO特有的有限元和刚体的混合型安全带模型。同时按照CCAR25.785的要求，利用MADYMO的Belt Fitting工具，对乘员安全带进行定义和安装。

此外，前方假人为MADYMO假人家族库中FAA Hybrid Ⅲ 型假人模型，后方假人采用前述所建立的中国人体假人，为了客观准确对比两类假人响应的差异性，参考AC25.562-1B的要求，两类假人模型乘坐姿态相同。前后两个模型互不干扰，在同样的客舱模型和加载工况下，得到独立的乘员坠撞动态响应。

4.2 接触的定义

飞机坠撞是一个极其复杂的过程，具有瞬态非线性特征，因此，在仿真建模时，假人、舱壁、地板、座椅和安全带之间接触的准确定义就显得极其重要，决定了仿真结果的可靠性。该模型包括两种类型接触：刚体间的接触（CONTACT.MB_MB）和有限元实体与刚体的接触（CONTACT.MB_FE）。需要定义假人头部与枕垫、前部挡板的接触；假人背部与座椅靠背的接触；假人臀部与靠背、坐垫的接触；假人腿部与坐垫、座椅椅腿的接触；假人右手与舱壁的接触；安全带与假人腹部、股骨、坐垫的接触。

4.3 初始条件的设定

首先对本模型施加向下重力场，依据CCAR 25.562（b）（2）的要求并参考AC 25.562-1B，对其进行水平动态冲击试验。加载脉冲为等腰三角线，在0.09s时减速度峰值为16G。

4.4 假人响应的输出设置

按照CCAR25.562（b）（2）的要求，动态冲击试验中，乘员的损伤评价指标主要包括头部损伤准则HIC、脊柱载荷和股骨载荷。同时，根据人体冲击生物力学及假人模型的特性，将胸部变形量、粘性损伤响应VC、颈部Nij及小腿受力作为输出参数，加以对比，全面考察分析两种体态假人的差异性。

5 仿真结果对比分析

将建立的模型进行计算求解，在结果文件中读取设定的各输出参数指标。在研究坠撞过程中的假人响应时，通常以头部、胸部和盆骨处的加速度作为主要研究参数，同时根据坠撞的特殊性，输出一些具体的伤害准则。

5.1 头部加速度仿真结果对比

从FAA Hybrid III 型假人（参考假人）与中国体态假人模型的头部合成加速度响应曲线可知，两种不同体态的假人，其头部加速度曲线趋势类似，峰值时刻都在180ms左右，峰值基本相同。但是由于目标假人曲线峰值处两条边界比参考假人宽，所以其HIC值为1747，比参考假人的HIC值1104.2要大，两者相差58%。由于本仿真系统模型中的分舱板为刚性体，故而HIC超出了条款要求，此处HIC值仅作横向对比使用，不作为条款符合性判据。

5.2 胸部加速度结果对比

从胸部合成加速度对比曲线可知，两种假人胸部加速度趋势基本相同，尤其在冲击坠撞的后期，高度吻合。而在坠撞前期，由于体态不同而引起的坐姿变化，造成曲线趋势和峰值的差异性。从结果数据可知，目标假人在90.7ms时的峰值为63.4G，比参考假人103ms时的峰值54.12要高，两者相差14.64%。

5.3 盆骨加速度结果对比

两种体态假人的盆骨处合成加速度曲线趋势类似，这主要是因为安全带在此处与假人贴合，并始终将假人固定在坐垫上。但是又由于中国体态假人身材较为矮小，安全带固定偏差，造成了在90ms时刻最大加载脉冲处，目标假人的盆骨加速度为158.52G，远远大于参考假人的79.65G。

5.4 股骨载荷结果对比

目标假人和参考假人左右股骨受力曲线的总趋势类似，但是由于参考假人腿部较长、质量更大，所以在坠撞前期，假人腿部与前部挡板发生碰撞的时间更长冲击更大，左股骨在152ms时刻会产生极大的冲击载荷，数值为9125.55N。而在坠撞后期，右股骨波动较大，在255ms时，产生5333.45N的冲击突变载荷。此外，由于初始条件设定中，座舱具有10°偏航角，所以在发生碰撞的过程中，左右股骨受力曲线的趋势和峰值，具有明显的差异。

5.5 损伤指标对比

通过对表1中两类假人头部、胸部、颈部和下肢部位损伤参数及其对比可知，目标假人头部比参考假人的头部损伤准则HIC值大50%左右；在胸部三个指标中，参考假人的Ccomp和VC较大，而C3MS比目标假人小，胸部各参数总体指标差异介于20%-35%之间；假人颈部，除了NCF外，目标假人损伤准则Nij普遍比参考假人小，两者差异大概在20%左右；假人下肢受力方面，由于目标假人体态矮小，尤其是其下肢长度较小，以及座椅高度的因素，引起两类假人的下肢姿态具有明显的差别，这就造成了下肢受力差别较大，同时，也由此能够看出，在飞机冲击试验中，座椅高度对人体下肢受力具有显著的影响。

6 结论

本文以MADYMO假人家族库中FAA Hybrid III型假人模型为基础，使用MADYMO/Scaler程序，参照中国人体体态数据，建立了中国成年男性50百分位人体假人模型。然后，建立了两类假人的客舱座

椅约束系统模型，依据CCAR25.562的要求进行水平动态冲击仿真试验。最后，对两类假人头部、颈部、胸部、盆骨和下肢的动态响应参数及损伤准则进行了对比。

将仿真结果对比可知，在纵向冲击情况下，中国50百分位身材的假人模型头部损伤风险明显大于FAA Hybrid III 型假人模型。胸部、颈部和盆骨处的损伤风险具有差异性，其差异普遍约为20%-30%。而体态的差异对腿部载荷最为明显。由此可见，采用Hybrid III 型假人模型并不能准确评估飞机坠撞试验中我国人体的动态响应，也就无法有效进行飞机乘员保护的研究。因此，为了能够适应我国飞机的试验及研究要求，尤其是目前正在开展的大型运输机的研制，有必要尽早开展和完善符合我国人体体态特征的假人研究工作。

【参考文献】

[1]Shanahan DF， Shanahan MO. Kinematics of U.S. Army helicopter crashes： 1979-1985[J].Aviation Space and Environmental Medicine，1989，60（2）：112-121.

[2]张弘，魏榕祥.通用飞机抗坠撞设计指南[M].北京：航空工业出版社，2009.4-7.

[3]陈爽，袁中凡，等.国产碰撞假人的设计与分析[J].四川大学学报，2008，5：178-182.

[4]R.Happee，R.van Haaster.Optimisation of vehicle passive safety for occupant with varying anthropometry. EASi Engineering，1998，9：119-124.

[5]Viano，D.C.，andArePally，5.，Assessing the Safety Performanee of OeeuPant Restraint Systems， SAEPaper 902328.

[6]马红磊，刘炳坤，等.SZM510与HyridⅢ假人着陆冲击响应特性的比较研究[J].航天医学与医学工程，2005，10：344-346.

[7]戢敏，雷经发，等.直升机抗坠毁试验假人下肢动力学性能的计算机仿真研究[J].振动与冲击，2013，3：56-59.

[责任编辑：王伟平]