TNO-10型碰撞假人的結構研究*

王 欣，馬瑞雪

(重慶車輛檢測研究院國家客車質量監督檢驗中心，重慶 400067)

TNO-10型碰撞假人的結構研究*

王 欣，馬瑞雪

(重慶車輛檢測研究院國家客車質量監督檢驗中心，重慶 400067)

詳細闡述了主要用于安全帶動態試驗的TNO－10型碰撞假人的結構研究，將其分為小腿、頭頸部、軀干和大腿等部件，并對每個部件進行了制作過程的講解，為TNO－10假人的制作提出基礎研究參考。

安全帶;動態試驗;碰撞假人;結構

1 引言

TNO－10型碰撞假人是專為座椅和安全帶動態測試及其它研發試驗所開發的、物理質量按50%的人體分布設計的假人。該假人在碰撞試驗中用于配重，設計為只有一條小腿的假人。該假人可分為頭頸部、小腿、軀干和大腿等部件，內部為模擬人體骨骼的金屬骨架，外表為一層模擬肌肉皮膚的聚氨酯材料。該假人的設計資料為全球公開，只要研制出的假人的質量、尺寸、質心和標定結果滿足標準要求即可。

我國已經開展了國產碰撞假人的設計與分析［1－3］。為開展TNO－10假人的研制，分別將假人分為小腿、頭頸部、軀干、大腿等部件，對其部件結構以及部件之間的連接關系進行研究。

對TNO－10假人的設計規范有明確規定的有ECE R16［4］、GB 14166［5］和 TNO－10假人使用手冊［6］。在這些標準規范中有相應的部件材料和尺寸清單，但其金屬骨架與肌肉皮膚之間的相對位置還是很不清楚，通過分析，項目組通過查找資料和開展X光照射來確定了假人“骨架”和“肌肉”的相對關系。

對于外形結構，為了與進口假人一致，項目組采用德國海克斯康激光掃描儀和三維軟件對進口假人小腿、頭頸部、軀干和大腿的外形進行了點云掃描，由于人體表面曲面復雜而且多樣，運用CATIA軟件進行通過多次修面進行重建［7－8］，最后建立符合要求的假人部件的三維模型，結合X光照片，該模型可作為后續進行部件進行加工開模的基礎［9－10］。

2 小腿的結構研究

該假人有一條小腿，小腿由3個元件構成:腳底板、薄壁管、膝關節套。薄壁管上覆蓋了一層模擬肌肉的聚氨酯材料，一端連著剛性腳板，另外一端連著一個鋼管。

剛性腳板模擬人的腳，薄壁管模擬小腿的腿骨，另外一端的鋼管也就是膝關節套模擬膝部關節。小腿可以如同正常人一樣可以往后運動，在膝關節套有兩個限位塊可限制小腿相對大腿的運動，標準要求小腿從直線位置能向后轉動120°。小腿最外層材料為聚氨酯，模擬小腿肌肉皮膚。

在標準中明確了小腿骨架的尺寸，但是小腿的內部中骨架與肌肉之間的相對位置還是很不清楚，項目組通過X光照射來大致確定假人小腿“骨架”和“肌肉”的相對關系，如圖1所示，圖2為小腿三維模型。

圖1 小腿的X光照片

圖2 小腿三維模型圖

假人小腿的外部輪廓是不規則的，項目組通過德國海克斯康的三維軟件對小腿的外形進行點云掃描，通過得到小腿三維模型。結合小腿的X光照片，該三維模型可作為后續進行部件開模的基礎。

3 頭頸部的結構研究

頭部是空心的，有一層玻璃鋼模擬頭骨，外面覆蓋一層聚氨酯。頸部有7個模擬頸椎的聚氨酯套環組成。頸部的剛度由軀干結構中的滾子鏈的張緊程度來調整，滾子鏈的張緊程度決定了假人的身高。

由于頭型內部結構較簡單，沒有采用X光照射。同樣頭部的外形是不規則的，通過軟件對其中頭部的外形進行掃描，得到一個三維模型，作為開模的基礎，如圖3所示。標準中對頸部套環的尺寸有明確規定，為了便于制作，通過掃描，得到三維模型，可作為后續部件開模的基礎，如圖4所示。

圖3 頭部三維模型圖

圖4 頸部三維模型圖

4 軀干的結構研究

軀干主要包括為一層模擬肌肉皮膚的聚氨酯材料和鋼骨架。鋼骨架包括以下元件:模擬軀干和臀部連接的關節部分的臀軸套管，模擬人體脊柱的滾子鏈、鏈式連接件，模擬胸骨的鋼板，模擬假人脊椎的轉動部分，模擬肋骨的鋼板。

在標準中明確了胸部軀干骨架的尺寸，但是其內部中鋼骨架與肌肉之間的相對位置還是很不清楚，項目組通過X光照射來大致確定假人胸部“骨架”和“肌肉”的相對關系，如圖5所示。

圖5 X光照片

在標準中明確了胸部骨架元件的尺寸，但是胸部的外部輪廓是不規則的，同樣軀干的外形是不規則的，通過三維軟件對其外形進行掃描，得到三維模型，如圖6所示。結合胸部的X光照片，該三維模型可作為進行加工開模的基礎。

圖6 軀干三維模型圖

5 大腿的結構研究

TNO－10假人有兩條大腿。大腿由三個元件組成:膝關節套、大腿桿、臀軸套。大腿干的兩端為模擬臀關節套和膝關節套之間的的鋼管。膝關節套是模擬小腿和大腿之間的關節部分。大腿桿是模擬大腿骨，臀軸套是模擬大腿和胯骨之間的關節連接。兩個大腿都是鋼骨架上覆蓋了一層模擬假人肌肉皮膚的聚氨酯材料。

在標準中明確了大腿骨架的尺寸，但是大腿的內部中鋼骨架與肌肉之間的相對位置同樣通過X光照射來大致確定，如圖7所示。

同樣大腿的外部輪廓也是不規則的，通過三維軟件對其中一個大腿的外廓進行掃描，得到一個三維模型，如圖8所示。結合大腿的X光照片，該三維模型可作為進行加工開模的基礎。

圖7 大腿的X光照片

圖8 大腿三維模型圖

6 關節的結構研究

像真人一樣，TNO－10假人也通過關節將部件連接起來。有大腿和小腿連接的膝關節，軀干和大腿連接的臀關節，頭部和頸部的頸椎關節，并且對關節之間的摩擦力有嚴格規定。

這些相關關節的部件都有明確、規范的尺寸，按照材料要求選材和加工即可。

7 其他部件的結構研究

除了上述的主要部件外，其余的張緊器總成、張緊板等部件參數都有標準明確規定。按照標準要求制作，涉及到的滾子鏈、螺栓和螺母等外購。

按照標準要求和X光照片制作了假人骨架，如圖9所示。圖10為最終的假人三維模型示意圖。

圖9 假人骨架

圖10 假人三維模型示意圖

8 總結

通過標準研究、X光照射對TNO－10型碰撞假人的各個部件結構和關節開展了研究，并建立部件的三維模型，最后形成假人的整體三維模型，為我們開展假人的研制打下了基礎。

［1］ 陳 爽，袁中凡，林大全，等.國產碰撞假人的設計與分析［J］.四川大學學報，2008，5(3):178－182.

［2］ 戢 敏，袁中凡，林大全.仿真假人人體參數的計算和分析［J］.中國測試技術，2003，7(4):37－39.

［3］ 余 翔，袁中凡，郭祚達，等.汽車正面碰撞工藝實驗假人的研制［J］.四川大學學報，2002，5(12):118－121

［4］ ECE R16，Uniform provisions concerning the approval of safety belts，restraint systems and isofix child restraint systems for occupants of power driven vehicles［S］.

［5］ GB 14166－2003，機動車成年乘員用安全帶和約束系統［S］.

［6］ 美國HUMANETICS公司.FTSS TNO－10假人使用手冊［R］，2008.

［7］ 劉永軍，胡宇群.基于CATIA的汽車車身曲面逆向造型［J］.工業技術，2007(31):18－19.

［8］ 馬瑞雪，王 欣，顏長征.基于CATIA軟件的TNO－10假人的研究［J］.機械研究與應用，2012(5):159－160.

［9］ 吳建生.ABS材料零件的注塑工藝和模具設計［D］.上海:上海交通大學，2008.

［10］ 劉 斌，聚氨酯塑料三維模具系統的設計與實現［D］.上海:上海交通大學，2008.

Research of the Structure of TNO-10 Dummy

WANG Xin，MA Rui－xue
(Chongqing Vehicle Test＆Research Institute，National Coach Quality Supervision and Test Center，Chongqing 401122，China)

The research of the structure of TNO－10 dummy is put forwand which is used in safety belt dynamic test in detail.The dummy is divided into lower leg，head－neck，torso and upper leg，etc.Taking the lower leg as example，showing the manufacturing progress，and the base research reference is provided for TNO－10 manufacturing.

safety belt;dynamic test;crash dummy;structure

TH113;U464

A

1007－4414(2013)05－0059－02

2013－08－08

重慶市質量技術監督局項目“TNO－10型汽車碰撞用測試假人的研究”(2010－KY－07)

王欣(1972－)，女，碩士，副研究員，主要從事汽車被動安全方面的研究。