中国50百分位男性人体有限元模型建立

滕义壮，于涛*，施龙利，寇建阁，祁金柱

（1.烟台大学机电汽车工程学院，山东 烟台 264005；2.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084）

引言

中西方人体几何测量学尺寸中前臂与大臂长度尺寸存在较大差异，而坐高尺寸差异较小，真实事故中，中国乘员的乘坐位置相对于西方乘员的乘坐位置要靠前，这样导致中国乘员距离方向盘和其他内部接触位置的距离相对较短，从而有可能增加乘员伤害风险。对中西方乘员在碰撞过程中损伤差异进行研究，将有利于提高我国汽车乘员约束系统的安全性。

人体数值建模主要有几何重构和网格变形两种方法。李志刚等人[1]通过CT扫描数据，建立了三个月以下不同年龄段儿童头部数值模型，并对建立的模型进行了仿真度验证。曹立波等人[2]基于下肢螺旋CT扫描，保留主要解剖学结构建立了中国50百分位男性小腿有限元模型。

雷旦等人[3]对一名男性志愿者进行了螺旋扫描，建立了具有解剖学结构的人体胸部、腹部及下肢数值模型。日本丰田汽车集团与丰田中央研究院[4]开发了一系列代表西方人体尺寸的人体数值模型，该系列模型包括站姿和坐姿两种姿态，每种姿态包括三种不同人体尺寸，分别为5百分位女性、50百分位男性和95百分位男性。余志刚等人[5]基于HybridⅢ50百分位男性假人模型，利用比例缩放方法建立了中国50百分位男性假人模型。Yang[6]等人基于THUMSD-F05模型，利用比例缩放方法建立了代表中国5百分位女性人体特征的人体数值模型。然而，目前对于代表中国50百分位男性人体特征的人体数值模型建模，还缺乏相关研究。

本文以 THUMS(AM50)模型为基准模型，通过比例缩放方法建立了中国50百分位男性人体数值模型。

1 人体数值模型建立

本文采用美国 Altair软件公司提供的有限元前处理软件Hypermesh中Hypermorph模块下的缩放体方法对人体有限元模型进行缩放。该缩放方法首先通过建立一个六边形缩放体，将需要缩放的网格结点包围住，在缩放体建立的同时可以在缩放体的角点及其边缘建立控制点。其次，建立该缩放体的局部坐标系以及确定每个方向的缩放因子。最后，利用缩放因子对控制点进行缩放，从而改变缩放体的形状，随之改变缩放体内部结点的位置，以达到网格缩放的目的。

1.1 尺寸获取与缩放因子计算

表1 缩放因子

为了确定缩放过程中使用的缩放因子，需要确定缩放使用基本模型和缩放得到目标模型的关键人体测量学尺寸。因此，首先从2009年中国标准化研究院三千中国成年人三维测量尺寸数据库中选取了50百分位男性人体20个人体测量学尺寸作为目标模型的关键人体测量学尺寸。然后，将基本模型导入有限元前处理软件中，采用与标准化研究院数据库相似的测量标志点，对基本模型进行尺寸测量，从而得到基本模型相应的20个人体测量学关键尺寸。最后，将对应尺寸数据相除，得到4相应尺寸的缩放因子，如表1所示。

1.2 人体数值模型各区域缩放

在缩放过程中，需要先对基本模型进行区域划分，然后对每个不同的区域应用不同的缩放因子进行缩放。考虑到模型缩放的精度要求，本文将基本模型划分为25个区域，如表2所示。对基本模型进行区域划分后，然后在每个区域内建立该区域缩放使用缩放体、控制点和局部坐标系，并对该区域进行缩放，部分区域缩放过程如图1所示。

表2 区域编号及名称

图1 部分缩放区域、缩放体及局部坐标系

2 尺寸误差分析及网格质量检查

上述模型缩放过程完成后便得到初始目标模型。在将该模型用于仿真分析前还需对该模型的尺寸进行误差分析以及网格质量检查，以达到仿真分析要求。

2.1 模型尺寸误差分析

尺寸误差分析过程中，采用绝对误差与相对误差两个参数，其计算公式如下：

式中，W表示绝对误差，Dm表示基于初始目标模型测量得到的测量尺寸，Dc表示中国人体尺寸数据库中的人体测量学尺寸，即CNIS尺寸。δ表示尺寸相对误差。绝对误差W、测量尺寸Dm以及CNIS尺寸Dc的单位为mm，相对误差δ为无量纲的量。

尺寸误差分析结果如表3所示，各尺寸相对误差绝对值均在7.5%以内，根据相关工程经验，可以认为初始目标模型尺寸满足分析要求。

表3 尺寸误差

2.2 网格质量检查

尺寸误差分析完成后还需将初始目标模型导入到有限元前处理软件，对模型的网格质量进行检查，结果如表4所示。从表中可以看出初始目标模型与基本模型网格质量变化不大，因此可以认为网格质量符合分析要求。

表4 网格质量

西方50百分位男性人体模型缩放前后对比如图2所示，其中左侧模型为西方50百分位男性，右侧模型为缩放后中国50百分位男性。

图2 模型缩放前后对比

3 结束语

本文主要介绍了中国 50百分位男性人体有限元模型的建立过程。获得的最终目标人体有限元模型的20个关键人体测量学尺绝对误差的绝对值均在40mm以内，相对误差绝对值均小于7.5%，初始目标模型与基本模型网格质量变化不大。根据相关工程经验，可以认为该模型满足基准模型要求，能够代表中国50百分位男性人体测量学尺寸。

[1] 李志刚,胡敬文,张金换,等. 基于统计学的参数化儿童头部有限元模型的建立及碰撞事故再现[J]. 清华大学学报(自然科学版),2012(11):1631-1637.

[2] 曹立波, 杜现平,张冠军,等.中国 50百分位男性小腿有限元模型的建立与验证[J].汽车工程,2015（Vol.37）No.11:1291-1297.

[3] 雷旦.应用于汽车碰撞安全研究的人体胸部有限元模型的建立与仿真验证[D].华南理工大学,2011.

[4] 丰田汽车公司. THUMS使用手册[EB/OL]. (2011-10-01)[2017-04-20].

[5] 余志刚.中国50百分位人体与标准试验假人正面碰撞响应差异的研究[D]. 湖南大学,2008.

[6] YANG J, GHOSH P, ZHANG J, et al. Analysing Differences of Dynamic Responses and Injury Risks of 5th Percentile Female Occupants during Frontal Impact using FE-Human Body Models Representing Eastern (Chinese) and Western (US/EU) Human Body Dimensions: IRCOBI Asia, 2016[C].