中國(guó)體態(tài)假人模型與FAA Hybrid Ⅲ 型假人模型沖擊差異性分析

李杰　解江　袁鵬　馮振宇

【摘 要】以分析中國(guó)體態(tài)假人與FAA Hybrid Ⅲ型假人模型差異性為目的，依據(jù)中國(guó)人體體態(tài)數(shù)據(jù)，運(yùn)用MADYMO/Scaler軟件模塊，建立中國(guó)成年男性50百分位體態(tài)假人模型。以某客艙段布置為基礎(chǔ)，建立了兩類假人的約束系統(tǒng)模型，按照CCAR第25.562條的規(guī)定，進(jìn)行了水平?jīng)_擊仿真試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：中國(guó)50百分位身材的假人模型頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)明顯大于FAA Hybrid III 型假人模型；而胸部、頸部和盆骨處的損傷風(fēng)險(xiǎn)具有差異性，其差異普遍為20%-30%；此外，由于假人下肢長(zhǎng)度及座椅高度的影響，下肢載荷差異顯著。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)態(tài)沖擊；假人模型；中國(guó)人體；仿真

0 引言

對(duì)航空事故的調(diào)查表明，如果飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮墜撞安全性因素，那么92.8%的墜撞事故都將是可生存或部分可生存的，從而可以大大提高乘員的生存率[1-2]。目前，飛機(jī)乘員保護(hù)相關(guān)條款的符合性，主要還是依靠整機(jī)及部件試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，而在飛機(jī)墜撞試驗(yàn)中，歐美各國(guó)的法規(guī)均要求使用 Hybrid III 型50百分位男性假人，以此考慮飛機(jī)在墜撞過(guò)程中，人體的響應(yīng)數(shù)據(jù)和傷害指標(biāo)。該型假人身高175.5cm，體重78.15kg[3]，然而，我國(guó)50百分位成年男子身高為168.5cm ，體重為65.5kg，與上述假人的身材有較大不同。因此，對(duì)于安全性要求嚴(yán)格的航空業(yè)，在試驗(yàn)中使用Hybrid III 型50百分位男性假人，能否正確反映中國(guó)人體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，座椅等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求，值得我們加以研究。

國(guó)外對(duì)于假人及其動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了大量的研究。從1960年開始，美國(guó)RSD公司和通用汽車研發(fā)了Hybrid系列假人，已廣泛用于汽車和航空航天領(lǐng)域，目前已發(fā)展到了Ⅲ型。80年代初期，美國(guó)開始發(fā)展乘員逃逸系統(tǒng)測(cè)試（CREST）計(jì)劃。到1983年，成功研制了肢體約束評(píng)估假人（LRE）。在實(shí)施CREST計(jì)劃后期，研究人員發(fā)現(xiàn)LRE未能完全滿足試驗(yàn)要求，于1989年完成了ADAM假人的研制 [4]。Carmen Rodarius等人基于人體縮放理論，建立了三類人體碰撞模型，并對(duì)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了分析[5]。

我國(guó)對(duì)于假人的研究起步較晚，而且主要集中在假人建模方面。航天醫(yī)學(xué)工程研究所于 2002 年開始研發(fā)我國(guó)新一代彈射座椅試驗(yàn)用SZM510型假人，馬紅磊等人將其與Hybrid Ⅲ 型假人的沖擊響應(yīng)特性進(jìn)行比較，表明SZM510假人能夠適用于高沖擊過(guò)載下的乘員安全性評(píng)價(jià) [6]。四川大學(xué)的陳爽等人，基于有限元法，完成了95%國(guó)產(chǎn)假人的研制。標(biāo)定結(jié)果表明，靈活運(yùn)用有限元分析方法能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞假人力學(xué)結(jié)構(gòu)的仿真性[3]。戢敏等人建立了我國(guó)50百分位飛行員參數(shù)特征的假人下肢有限元模型，對(duì)直升機(jī)抗墜毀試驗(yàn)中的假人下肢動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了研究[7]。

本文以上觀點(diǎn)出發(fā)，首先參照國(guó)家體育總局等單位公布的《2000年國(guó)民體質(zhì)監(jiān)測(cè)報(bào)告》中的中國(guó)人體體態(tài)數(shù)據(jù)，以MADYMO軟件假人庫(kù)中的 FAA Hybrid III 型假人為基礎(chǔ)，應(yīng)用MADYMO/Scaler 程序建立符合中國(guó)人體的假人模型，按照CCAR25.562的要求，進(jìn)行水平動(dòng)態(tài)沖擊仿真試驗(yàn)，最后整理仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，分析中國(guó)體態(tài)假人與 FAA hybrid III假人的差異性。

1 假人建立方法

在交通工具及其約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，使用符合實(shí)際要求的假人至關(guān)重要，這樣可以準(zhǔn)確評(píng)估人體的真實(shí)響應(yīng)和各項(xiàng)指標(biāo)。MADYMO軟件基于以上觀點(diǎn)的考慮，提供了MADYMO/Scaler 程序，方便設(shè)計(jì)人員根據(jù)具體的設(shè)計(jì)目的，在現(xiàn)有假人庫(kù)仿真假人的基礎(chǔ)上，對(duì)其各部位尺寸進(jìn)行修改，得到目標(biāo)假人。

MADYMO/Scaler 程序使用其先進(jìn)的非線性縮放方法，能夠縮放所有的機(jī)械參數(shù)，包括鉸鏈的剛度和阻尼。第一階段，以參考假人為基礎(chǔ)，根據(jù)用戶輸入的特定尺寸，程序根據(jù)其特有的縮放因子，生成目標(biāo)假人。經(jīng)過(guò)這一階段的縮放后，結(jié)果模型的尺寸、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、關(guān)節(jié)位置、橢球體參數(shù)、力模型、鉸鏈模型和接觸特性被控制，但由于多個(gè)因子的復(fù)雜縮放，致使主要尺寸和質(zhì)量有些偏差，需要第二階段進(jìn)行修正。在第二階段，MADYMO程序?qū)⒌谝浑A段用過(guò)的縮放因子乘以一系列的修正系數(shù)進(jìn)行最終修訂，其最佳修正系數(shù)根據(jù)數(shù)值最優(yōu)化確定，最終生成一個(gè)最優(yōu)的縮放模型。

2 中國(guó)人體體態(tài)數(shù)據(jù)

2000年，國(guó)家體育總局、教育部、科技部、國(guó)家民委、民政部、財(cái)政部、農(nóng)業(yè)部、衛(wèi)生部、國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、全國(guó)總工會(huì)10個(gè)部門聯(lián)合在全國(guó)31個(gè)省（區(qū)、市）進(jìn)行了國(guó)民體質(zhì)監(jiān)測(cè)工作，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)布了《2000年國(guó)民體質(zhì)監(jiān)測(cè)報(bào)告》。

該報(bào)告公布的中國(guó)人體主要尺寸包括：身高、體重、大臂長(zhǎng)、小臂長(zhǎng)、大腿長(zhǎng)、小腿長(zhǎng)等六項(xiàng)。同時(shí)，公布了中國(guó)人體坐姿尺寸，其包括：坐高、坐姿眼高、坐姿頸椎點(diǎn)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、臀膝距和坐姿下肢長(zhǎng)等十一項(xiàng)數(shù)據(jù)。

3 中國(guó)體態(tài)假人的建立

參考《2000年國(guó)民體質(zhì)監(jiān)測(cè)報(bào)》中50百分位男性體態(tài)數(shù)據(jù)，在Hybrid III 型50百分位男性FAA假人（參考假人）基礎(chǔ)上，使用MADYMO/Scaler 程序，生成中國(guó)人體體態(tài)的假人模型（目標(biāo)假人）。同時(shí)，對(duì)目標(biāo)假人進(jìn)行測(cè)量，將其與實(shí)際人體體態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比，確保目標(biāo)假人滿足中國(guó)人體體態(tài)數(shù)據(jù)要求。

4 乘員—座椅約束系統(tǒng)仿真模型的建立

4.1 系統(tǒng)模型的建立

仿真系統(tǒng)模型中，主要包括客艙框段（艙壁、前部分艙板和地板）、座椅、約束系統(tǒng)（安全帶）和假人組成。如圖1所示，客艙框段和座椅為某客艙機(jī)身框段頭排單人座椅模型，都為多剛體模型，同時(shí)在座椅靠背，坐墊處增加了鉸鏈剛度，以此模擬實(shí)際的座椅特性。

圖1 仿真系統(tǒng)模型圖

約束系統(tǒng)（安全帶）類型為飛機(jī)乘員通常所使用的兩點(diǎn)式腰部安全帶，采用MADYMO特有的有限元和剛體的混合型安全帶模型。同時(shí)按照CCAR25.785的要求，利用MADYMO的Belt Fitting工具，對(duì)乘員安全帶進(jìn)行定義和安裝。

此外，前方假人為MADYMO假人家族庫(kù)中FAA Hybrid Ⅲ 型假人模型，后方假人采用前述所建立的中國(guó)人體假人，為了客觀準(zhǔn)確對(duì)比兩類假人響應(yīng)的差異性，參考AC25.562-1B的要求，兩類假人模型乘坐姿態(tài)相同。前后兩個(gè)模型互不干擾，在同樣的客艙模型和加載工況下，得到獨(dú)立的乘員墜撞動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

4.2 接觸的定義

飛機(jī)墜撞是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，具有瞬態(tài)非線性特征，因此，在仿真建模時(shí)，假人、艙壁、地板、座椅和安全帶之間接觸的準(zhǔn)確定義就顯得極其重要，決定了仿真結(jié)果的可靠性。該模型包括兩種類型接觸：剛體間的接觸（CONTACT.MB_MB）和有限元實(shí)體與剛體的接觸（CONTACT.MB_FE）。需要定義假人頭部與枕墊、前部擋板的接觸；假人背部與座椅靠背的接觸；假人臀部與靠背、坐墊的接觸；假人腿部與坐墊、座椅椅腿的接觸；假人右手與艙壁的接觸；安全帶與假人腹部、股骨、坐墊的接觸。

4.3 初始條件的設(shè)定

首先對(duì)本模型施加向下重力場(chǎng)，依據(jù)CCAR 25.562（b）（2）的要求并參考AC 25.562-1B，對(duì)其進(jìn)行水平動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)。加載脈沖為等腰三角線，在0.09s時(shí)減速度峰值為16G。

4.4 假人響應(yīng)的輸出設(shè)置

按照CCAR25.562（b）（2）的要求，動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)中，乘員的損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括頭部損傷準(zhǔn)則HIC、脊柱載荷和股骨載荷。同時(shí)，根據(jù)人體沖擊生物力學(xué)及假人模型的特性，將胸部變形量、粘性損傷響應(yīng)VC、頸部Nij及小腿受力作為輸出參數(shù)，加以對(duì)比，全面考察分析兩種體態(tài)假人的差異性。

5 仿真結(jié)果對(duì)比分析

將建立的模型進(jìn)行計(jì)算求解，在結(jié)果文件中讀取設(shè)定的各輸出參數(shù)指標(biāo)。在研究墜撞過(guò)程中的假人響應(yīng)時(shí)，通常以頭部、胸部和盆骨處的加速度作為主要研究參數(shù)，同時(shí)根據(jù)墜撞的特殊性，輸出一些具體的傷害準(zhǔn)則。

5.1 頭部加速度仿真結(jié)果對(duì)比

從FAA Hybrid III 型假人（參考假人）與中國(guó)體態(tài)假人模型的頭部合成加速度響應(yīng)曲線可知，兩種不同體態(tài)的假人，其頭部加速度曲線趨勢(shì)類似，峰值時(shí)刻都在180ms左右，峰值基本相同。但是由于目標(biāo)假人曲線峰值處兩條邊界比參考假人寬，所以其HIC值為1747，比參考假人的HIC值1104.2要大，兩者相差58%。由于本仿真系統(tǒng)模型中的分艙板為剛性體，故而HIC超出了條款要求，此處HIC值僅作橫向?qū)Ρ仁褂?，不作為條款符合性判據(jù)。

5.2 胸部加速度結(jié)果對(duì)比

從胸部合成加速度對(duì)比曲線可知，兩種假人胸部加速度趨勢(shì)基本相同，尤其在沖擊墜撞的后期，高度吻合。而在墜撞前期，由于體態(tài)不同而引起的坐姿變化，造成曲線趨勢(shì)和峰值的差異性。從結(jié)果數(shù)據(jù)可知，目標(biāo)假人在90.7ms時(shí)的峰值為63.4G，比參考假人103ms時(shí)的峰值54.12要高，兩者相差14.64%。

5.3 盆骨加速度結(jié)果對(duì)比

兩種體態(tài)假人的盆骨處合成加速度曲線趨勢(shì)類似，這主要是因?yàn)榘踩珟г诖颂幣c假人貼合，并始終將假人固定在坐墊上。但是又由于中國(guó)體態(tài)假人身材較為矮小，安全帶固定偏差，造成了在90ms時(shí)刻最大加載脈沖處，目標(biāo)假人的盆骨加速度為158.52G，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于參考假人的79.65G。

5.4 股骨載荷結(jié)果對(duì)比

目標(biāo)假人和參考假人左右股骨受力曲線的總趨勢(shì)類似，但是由于參考假人腿部較長(zhǎng)、質(zhì)量更大，所以在墜撞前期，假人腿部與前部擋板發(fā)生碰撞的時(shí)間更長(zhǎng)沖擊更大，左股骨在152ms時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生極大的沖擊載荷，數(shù)值為9125.55N。而在墜撞后期，右股骨波動(dòng)較大，在255ms時(shí)，產(chǎn)生5333.45N的沖擊突變載荷。此外，由于初始條件設(shè)定中，座艙具有10°偏航角，所以在發(fā)生碰撞的過(guò)程中，左右股骨受力曲線的趨勢(shì)和峰值，具有明顯的差異。

5.5 損傷指標(biāo)對(duì)比

通過(guò)對(duì)表1中兩類假人頭部、胸部、頸部和下肢部位損傷參數(shù)及其對(duì)比可知，目標(biāo)假人頭部比參考假人的頭部損傷準(zhǔn)則HIC值大50%左右；在胸部三個(gè)指標(biāo)中，參考假人的Ccomp和VC較大，而C3MS比目標(biāo)假人小，胸部各參數(shù)總體指標(biāo)差異介于20%-35%之間；假人頸部，除了NCF外，目標(biāo)假人損傷準(zhǔn)則Nij普遍比參考假人小，兩者差異大概在20%左右；假人下肢受力方面，由于目標(biāo)假人體態(tài)矮小，尤其是其下肢長(zhǎng)度較小，以及座椅高度的因素，引起兩類假人的下肢姿態(tài)具有明顯的差別，這就造成了下肢受力差別較大，同時(shí)，也由此能夠看出，在飛機(jī)沖擊試驗(yàn)中，座椅高度對(duì)人體下肢受力具有顯著的影響。

6 結(jié)論

本文以MADYMO假人家族庫(kù)中FAA Hybrid III型假人模型為基礎(chǔ)，使用MADYMO/Scaler程序，參照中國(guó)人體體態(tài)數(shù)據(jù)，建立了中國(guó)成年男性50百分位人體假人模型。然后，建立了兩類假人的客艙座

椅約束系統(tǒng)模型，依據(jù)CCAR25.562的要求進(jìn)行水平動(dòng)態(tài)沖擊仿真試驗(yàn)。最后，對(duì)兩類假人頭部、頸部、胸部、盆骨和下肢的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)及損傷準(zhǔn)則進(jìn)行了對(duì)比。

將仿真結(jié)果對(duì)比可知，在縱向沖擊情況下，中國(guó)50百分位身材的假人模型頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)明顯大于FAA Hybrid III 型假人模型。胸部、頸部和盆骨處的損傷風(fēng)險(xiǎn)具有差異性，其差異普遍約為20%-30%。而體態(tài)的差異對(duì)腿部載荷最為明顯。由此可見(jiàn)，采用Hybrid III 型假人模型并不能準(zhǔn)確評(píng)估飛機(jī)墜撞試驗(yàn)中我國(guó)人體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，也就無(wú)法有效進(jìn)行飛機(jī)乘員保護(hù)的研究。因此，為了能夠適應(yīng)我國(guó)飛機(jī)的試驗(yàn)及研究要求，尤其是目前正在開展的大型運(yùn)輸機(jī)的研制，有必要盡早開展和完善符合我國(guó)人體體態(tài)特征的假人研究工作。

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[責(zé)任編輯：王偉平]