CN115577605B - 一种有限元假人初始姿态调整的计算方法 - Google Patents

一种有限元假人初始姿态调整的计算方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种有限元假人初始姿态调整的计算方法，包括：将有限元假人在空间中进行整体平动与转动；通过假人各部位总成绕其关节机械旋转，完成目标姿态，选取并记录硬质骨架特征部位的目标网格节点坐标值；对目标网格节点施加固定约束，在原始网格节点和目标网格节点间建立力或强制位移边界条件；提交DYNA计算，硬质骨架在力或强制位移边界条件下运动至目标网格节点的空间位置，带动软质部件运动与变形，假人通过计算调整至试验规程中指定的初始姿态；输出计算最终步得到的假人全部网格节点坐标值，替换原始姿态假人模型的网格节点坐标值，得到初始姿态的假人模型；通过上述方法，能避免在摆放假人过程中出现网格穿透，提高了仿真的准确性。

Description

一种有限元假人初始姿态调整的计算方法
技术领域
本公开一般涉及有限元假人仿真技术领域，具体涉及一种有限元假人初始姿态调整的计算方法。
背景技术
随着汽车工业的快速发展，人均拥有量逐步攀升，车辆的被动安全越来越受到重视，实车碰撞实验测试周期长，费用高。碰撞试验的仿真模拟已经成为世界各地汽车制造商日常设计和开发的工具，碰撞假人作为碰撞试验中的测试设备，用各部位伤害指标测量值来评估车辆对乘员的保护，有限元假人用在乘员约束系统仿真中对试验中假人运动过程进行模拟，以进行约束系统匹配。
碰撞工况约束仿真首先需要将有限元假人模型摆放至试验规程中指定的初始姿态，通过仿真模拟假人模型与约束系统部件的接触，再现实际试验中假人的运动姿态，通过计算输出假人各部位的伤害值曲线，对乘员保护进行匹配优化，具有成本低，周期短的优势；如图1所示为约束系统仿真中，驾驶员侧与乘员侧有限元假人初始姿态的摆放示意图，与碰撞工况仿真过程中的运动姿态示意图；
在碰撞工况约束仿真过程中，有限元假人初始姿态的摆放影响了最终的计算结果；现有技术初始姿态的调节通常通过建立有限元假人模型，在有限元前处理软件中将假人模型各部位总成绕各个总成间的机械关节进行机械旋转，进而将假人模型的姿态调节至碰撞工况约束仿真所需的初始姿态；
然而在现有技术摆放假人过程中，仅仅依靠模型中各关节的机械转动将其摆放至指定姿态，不考虑摆放过程中软质部件间发生的挤压变形，此过程中模型的部分软质部件间相互接触的部位将发生网格穿透现象；例如如图2所示为有限元假人腰椎模型原始姿态和利用现有技术旋转至目标姿态示意图；图中可以看到利用现有技术调整后腰椎与下板接触处发生了网格穿透现象。由此导致了计算的不稳定性，容易使得计算报错；另一方面也不能详细真实的模拟实际中的状态，与实际试验中假人姿态的不同将引入计算误差。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种有限元假人初始姿态调整的计算方法。
本申请提供一种有限元假人初始姿态调整的计算方法，包括：
S1:将有限元假人在空间中进行整体平动与转动，完成原始姿态的摆放，记录所述有限元假人硬质骨架特征部位的原始网格节点的原始坐标值；
S2:将所述有限元假人各部位总成通过绕其关节机械旋转，完成目标姿态，选取并记录所述有限元假人硬质骨架特征部位的目标网格节点的坐标值；
S3:对所述目标网格节点施加固定约束，在所述硬质骨架特征部位的原始网格节点和目标网格节点间建立力或强制位移边界条件；
S4:提交DYNA计算；步骤S1中原始姿态有限元假人的硬质骨架在所述力或强制位移边界条件下运动至所述目标网格节点的空间位置，带动所述有限元假人的软质部件的运动与变形，步骤S1中原始姿态有限元假人通过DYNA计算的方式调整至试验规程指定的初始姿态；
S5:输出DYNA计算最终步得到的有限元假人全部网格节点坐标值，替换所述原始姿态的有限元假人模型全部的网格节点坐标值，得到了初始姿态有限元假人模型。
根据本申请实施例提供的技术方案，在所述有限元假人每个身体部位总成上至少选取3个空间不共线的有限元假人硬质骨架特征部位的目标网格节点。
根据本申请实施例提供的技术方案，3个目标网格节点之间用可视化梁单元相连；所述目标网格节点和与其对应的原始网格节点之间用梁单元相连。
根据本申请实施例提供的技术方案，在DYNA中，将所述可视化梁单元赋予MAT9空梁材料。
根据本申请实施例提供的技术方案，在DYNA中，将所述目标网格节点和与其对应的原始网格节点之间建立的梁单元赋予线缆离散材料。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述线缆离散材料设置预紧力2000N，预紧力保持时间为1000s。
根据本申请实施例提供的技术方案，对所述目标网格节点施加6个自由度的固定约束，在所述原始网格节点和所述目标网格节点之间建立阻尼器。
根据本申请实施例提供的技术方案，设置所述阻尼器的阻尼系数为0.5。
本申请的有益效果在于：本申请旨在解决现有技术中有限元假人模型姿态调节过程会出现部件间网格穿透现象的技术问题。为了将有限元假人模型在姿态摆放过程中软质结构的变形考虑进来，实现网格初始穿透的消除，更加贴近试验中的状态，本申请提出一种有限元假人初始姿态调整的计算方法；通过将有限元假人在空间中进行整体平动与转动，完成原始姿态，记录有限元假人硬质骨架特征部位的原始网格节点的坐标值；将有限元假人各部位总成通过绕其关节机械旋转，完成目标姿态，选取并记录有限元假人硬质骨架特征部位的目标网格节点的坐标值；对目标网格节点施加固定约束，在硬质骨架特征部位的原始网格节点和目标网格节点间建立力或强制位移边界条件；提交DYNA计算；原始姿态有限元假人的硬质骨架在力或强制位移边界条件下运动至目标网格节点的空间位置，带动有限元假人的软质部件的运动与变形，有限元假人通过计算调整至试验规程指定的初始姿态；输出计算最终步得到的假人全部网格节点坐标值，替换原始姿态假人模型全部的网格节点坐标值，得到了指定初始姿态的有限元假人模型；实现了摆放有限元假人过程中的软质部件间的相互变形挤压过程的模拟，有效避免在摆放有限元假人过程中出现的网格穿透问题，有利于提高仿真的稳健性与准确性；同时避免引入新的计算误差而对后续阶段的碰撞工况约束仿真产生影响。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为约束系统仿真中，驾驶员侧与乘员侧有限元假人初始姿态的摆放示意图，与碰撞工况仿真过程中的运动姿态示意图；
图2为有限元假人腰椎模型原始姿态和利用现有技术旋转至目标姿态示意图；
图3（a）为有限元假人骨盆模型原始姿态图；
图3（b）为有限元假人利用现有技术通过部件机械旋转得到的骨盆姿态图；
图3（c）为有限元假人利用本专利提出的计算方法得到的骨盆姿态图；
图4为手部硬质骨架上特征部位的选取图；
图5为手部姿态摆放计算模拟过程图；
图6为足部硬质骨架上特征部位选取图；
图7为足部姿态摆放计算模拟过程图；
图8为主驾驶员姿态摆放预模拟计算过程图；
图9为副驾驶员姿态摆放预模拟计算过程图；
图10为有限元假人初始姿态调整的计算方法流程。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
请参考图10为本申请提供的一种有限元假人初始姿态调整的计算方法的流程图，包括：
S1:将有限元假人在空间中进行整体平动与转动，完成原始姿态的摆放，记录所述有限元假人硬质骨架特征部位的原始网格节点的原始坐标值；
在本实施例中，有限元假人由硬质骨架和硬质骨架外部的软质部件制成，软质部件作为有限元假人的皮肤，具有拟人的仿生度；
其中，硬质骨架通常采用MAT20刚体材料建模，软质部件一般为聚氯乙烯表皮加内部聚氨酯泡沫填充制成，通常在模型中赋予粘弹性材料。
在本实施例中，有限元假人分为骨盆、胸骨、胸部、头部、左上腿、右上腿、左下腿、右下腿、左脚、右脚、左肩轭、右肩轭、左上臂、右上臂、左肘、右肘、左下臂、右下臂、左手腕、右手腕、左手、右手22个总成；
其中，有限元假人整体平动是将有限元假人定位至H点坐标上，有限元假人整体转动是设置有限元假人整体的骨盆角；
在有限元假人模型整体平动和转动后，保存有限元假人模型，此时有限元假人模型仅经过了整体的空间中的平动和转动，各部件均没有变形。
S2:将所述有限元假人各部位总成通过绕其关节机械旋转，完成目标姿态，选取并记录所述有限元假人硬质骨架特征部位的目标网格节点的坐标值；
在本实施例中，如图4所示，以手部为例，在手部硬质骨架上选取三个不共线的原始网格节点A1、B1、C1，即可表征手部骨架在空间中的位置状态，其中，A2、B2、C2为步骤S2中得到的目标网格节点；
具体的，在S2各部位总成机械旋转过程中，软质部件不会发生挤压变形，如果不考虑软质部件的挤压变形，软质部件间会存在网格穿透现象。
S3:对所述目标网格节点施加固定约束，在所述硬质骨架特征部位的原始网格节点和目标网格节点间建立力或强制位移边界条件；
具体的，在原始网格节点和目标网格节点之间建立阻尼器，可以使计算更加稳定。
优选的，对目标网格节点施加6个自由度的固定约束，在原始网格节点和目标网格节点之间建立阻尼器；
具体的，对步骤S2中记录的目标网格节点约束X、Y、Z方向的平动和转动6个自由度；
优选的，3个目标网格节点之间用可视化梁单元相连；目标网格节点和与其对应的原始网格节点之间用梁单元相连。
优选的，在DYNA中，将3个目标网格节点之间的梁单元赋予MAT9空梁材料，实现了空间目标位置的可视化。
其中，DYNA为一种有限元分析模拟工具；
优选的，在DYNA中，将原始网格节点和与其对应的目标网格节点之间的梁单元赋予MAT71 MAT CABLE DISCRETE号线缆离散材料，模拟两点间的弹性线缆。
优选的，线缆离散材料设置预紧力2000N，预紧力保持时间为1000s。
优选的，在原始网格节点与目标网格节点之间建立阻尼器，赋予MAT S02 DAMPERVISCOUS材料，设置阻尼器的阻尼系数为0.5。
在本实施例中，如图4所示，目标网格节点A2、B2、C2固定X、Y、Z三个方向的平动与转动自由度；在A1与A2、B1与B2、C1与C2间建立力或强制位移边界条件。为了可视化，将手部的三个特征部位的目标网格节点A2、B2、C2用空梁单元相连成为三角形。可视化三角形A2B2C2即为手部硬质骨架的空间目标位置，将该梁单元赋予MAT9 NULL空梁材料；
进一步的，在原始网格节点和与其对应的目标网格节点间建立梁单元，模拟弹性线缆，赋予MAT71号MAT CABLE DISCRETE线缆离散梁材料，设置预紧力为2000N，预紧力保持时间为10000s，保证在整个计算过程中预紧力均存在。
进一步的，为了避免力的瞬态效应，在原始网格节点和目标网格节点之间建立阻尼器，材料赋予MAT S02 DAMPER VISCOUS材料，用来提供两个节点之间的平移或旋转的阻尼器。只有一个自由度被连接起来，设置阻尼常数为0.5。
S4:提交DYNA计算；步骤S1中原始姿态有限元假人的硬质骨架在所述力或强制位移边界条件下运动至所述目标网格节点的空间位置，带动所述有限元假人的软质部件的运动与变形，步骤S1中原始姿态有限元假人通过DYNA计算的方式调整至试验规程指定的初始姿态；
具体的，有限元假人在所有特征部位上的力或强制位移边界条件作用下，各个部位的硬质骨架会运动至空间目标位置。在硬质骨架强制运动过程计算中，外部软质部件相互之间会跟随发生挤压变形，就得到了消除穿透后的软质部件网格状态。
在本实施例中，如图5所示，为手部预模拟计算过程，手部模型的硬质骨架在力的作用下，由原始网格节点A1、B1、C1运动至目标网格节点位置A2、B2、C2，硬质骨架带动整体手部的运动，在手部硬质骨架强制运动过程中，会带动手部软质部件的运动与变形。
S5:输出DYNA计算最终步得到的有限元假人全部网格节点坐标值，替换所述原始姿态的有限元假人模型全部的网格节点坐标值，得到了初始姿态有限元假人模型。
在本实施例中，通过步骤S5得到变形后消除软质部件间网格穿透的手部的初始姿态。
实施例2
基于与实施例1相同构思的有限元假人初始姿态调整的计算方法；
在本实施例中，如图6所示，以足部为例，D1、E1、F1为足部硬质骨架上空间不共线的三个原始网格节点，D2、E2、F2为第二步通过机械旋转，记录下足部硬质骨架的三个目标网格节点坐标；
进一步的，目标网格节点D2、E2、F2固定X、Y、Z三个方向的平动与转动自由度；在D1与D2、E1与E2、F1与F2间建立力或强制位移边界条件。为了可视化，将足部的三个目标网格节点D2、E2、F2用可视化梁单元相连成为三角形；可视化三角形D2E2F2即为足部硬质骨架的空间目标位置，将该梁单元赋予MAT9 NULL空梁材料；
进一步的，在目标网格节点和与其对应的原始网格节点间建立梁单元，模拟弹性线缆，赋予MAT71号MAT CABLE DISCRETE线缆离散梁材料，设置预紧力为2000N，预紧力保持时间为10000s，保证在整个计算过程中预紧力均存在；
进一步的，为了避免力的瞬态效应，在原始网格节点和目标网格节点之间建立阻尼器，材料赋予MAT S02 DAMPER VISCOUS材料，用来提供两个节点之间的平移或旋转的阻尼器。只有一个自由度被连接起来，设置阻尼常数为0.5。
在本实施例中，如图7所示，为足部预模拟计算过程，足部模型的硬质骨架在力的作用下，由原始网格节点D1、E1、F1运动至目标网格节点位置D2、E2、F2，硬质骨架带动整体足部的运动，在足部硬质骨架强制运动过程中，会带动足部软质部件的运动与变形；
进一步的，输出DYNA计算最终步得到的有限元假人全部部件的网格节点坐标值，替换原始姿态有限元假人模型全部的网格节点坐标值，有限元假人的足部通过DYNA计算的方式摆放到了初始姿态。
实施例3
在实施例1和实施例2的基础上，在本实施例中，有限元假人22个总成都在力的作用下运动至指定目标网格节点位置，整个有限元假人将运动至初始姿态，完成了对有限元假人摆放过程的仿真，硬质骨架在强制运动的过程中，带动了软质部件的运动与变形，将摆放有限元假人过程中各个软质部件之间的挤压变形效果通过DYNA计算的方式表现了出来，达到了消除网格穿透的目的。
进一步的，将搭建好的有限元假人模型加入至约束系统或整车模型中，进行碰撞工况中乘员保护的仿真计算，并提取各部位伤害曲线对乘员保护效果进行评价。
具体的，有限元假人初始姿态调整的计算方法，适用于搭建不同国家法规标准要求的有限元假人模型，包括Hybrid III系列、THOR、WorldSID、ES2中的任意一项有限元假人模型，也适用于THUMS、GHBMC有限元模型的假人摆放过程模拟，用于消除假人摆放过程中出现的网格穿透问题；
具体的，计算机程序选用法国ABAQUS计算机软件产品、美国LSTC LS-DYNA计算机软件产品、Altair Radioss计算机软件产品中的任意一种。
进一步的，如图3所示，列举假人臀部与大腿皮肤处的接触情况来说明本申请的效果；图3（a）为模型的原始姿态，图3（b）为现有技术中不考虑摆放过程中的变形，仅仅依靠绕关节的旋转，将模型摆放至目标姿态，在大腿皮肤与臀部皮肤接触边缘处，会发生如图3（b）所示的网格穿透；图3（c）为用本申请提出的有限元假人初始姿态调整的计算方法进行计算，通过硬质骨架的强制运动，带动软质部件运动至初始姿态，在计算过程中，模拟出臀部皮肤件与大腿皮肤件之间的接触挤压变形过程，达到了在摆放假人过程中消除臀部皮肤件与大腿皮肤件网格穿透的目的，在图3（c）中臀部皮肤与大腿皮肤之间没有网格穿透现象。在实际试验中，大腿皮肤与臀部皮肤在摆放至指定初始姿态过程中，皮肤件相互接触的位置会发生明显的相互挤压变形，有限元模型也需要将假人调整姿态过程中的变形考虑进来，才能更好的复现实际假人的初始姿态；
在本实施例中，如图8所示，为主驾驶员侧姿态摆放计算过程，在DYNA计算过程中，有限元假人手部会运动至方向盘处，左脚运动至歇脚板上，右脚运动至加速踏板上，在计算运动的过程中，有限元假人各个软质皮肤件会跟随发生运动、接触、变形，计算的姿态，即为消除软质部件间网格穿透后的初始姿态。
在本实施例中，如图9所示，为副驾驶员侧姿态摆放计算过程，在DYNA计算过程中，有限元假人手部会运动至试验摆放位置，足部运动至地毯上，在计算运动的过程中，有限元假人各个软质皮肤件会跟随发生运动、接触、变形，计算的姿态，即为消除软质部件网格穿透后的初始姿态。
本实施例中，实现了摆放有限元假人过程中的软质部件间的相互变形挤压过程的模拟，有效避免在摆放有限元假人过程中出现的网格穿透问题，有利于提高仿真的稳健性与准确性；同时避免引入新的计算误差而对后续阶段的碰撞工况约束仿真产生影响。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.一种有限元假人初始姿态调整的计算方法，其特征在于，包括：
S1:将有限元假人在空间中进行整体平动与转动，完成原始姿态的摆放，记录所述有限元假人硬质骨架特征部位的原始网格节点的原始坐标值；
S2:将所述有限元假人各部位总成通过绕其关节机械旋转，完成目标姿态，选取并记录所述有限元假人硬质骨架特征部位的目标网格节点的坐标值；
S3:对所述目标网格节点施加固定约束，在所述硬质骨架特征部位的原始网格节点和目标网格节点间建立力或强制位移边界条件；
S4:提交DYNA计算；步骤S1中原始姿态有限元假人的硬质骨架在所述力或强制位移边界条件下运动至所述目标网格节点的空间位置，带动所述有限元假人的软质部件的运动与变形，步骤S1中原始姿态有限元假人通过DYNA计算的方式调整至试验规程指定的初始姿态；
S5:输出DYNA计算最终步得到的有限元假人全部网格节点坐标值，替换所述原始姿态的有限元假人模型全部的网格节点坐标值，得到了初始姿态有限元假人模型。
2.根据权利要求1所述的一种有限元假人初始姿态调整的计算方法，其特征在于，在所述有限元假人每个身体部位总成上至少选取3个空间不共线的有限元假人硬质骨架特征部位的目标网格节点。
3.根据权利要求2所述的一种有限元假人初始姿态调整的计算方法，其特征在于，3个目标网格节点之间用可视化梁单元相连；所述目标网格节点和与其对应的原始网格节点之间用梁单元相连。
4.根据权利要求3所述的一种有限元假人初始姿态调整的计算方法，其特征在于，在DYNA中，将所述可视化梁单元赋予MAT9空梁材料。
5.根据权利要求3所述的一种有限元假人初始姿态调整的计算方法，其特征在于，在DYNA中，将所述目标网格节点和与其对应的原始网格节点之间建立的梁单元赋予线缆离散材料。
6.根据权利要求5所述的一种有限元假人初始姿态调整的计算方法，其特征在于，所述线缆离散材料设置预紧力2000N，预紧力保持时间为1000s。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种有限元假人初始姿态调整的计算方法，其特征在于，对所述目标网格节点施加6个自由度的固定约束，在所述原始网格节点和所述目标网格节点之间建立阻尼器。
8.根据权利要求7所述的一种有限元假人初始姿态调整的计算方法，其特征在于，设置所述阻尼器的阻尼系数为0.5。
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"基于LS-DYNA应用约束系统仿真技术研究";洪求才等;《第十一届中国CAE工程分析技术年会论文集》;20151231;第50-54页 *
"基于某SUV正碰台车试验的有限元建模仿真研究";马健胜等;《天津科技》;20190331;第46卷(第3期);第54-59页 *
"基于模块化的约束系统高精度建模方法研究";胡远志等;《重庆理工大学学报(自然科学)》;20170731;第31卷(第7期);第1-11页 *

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