中國體態假人模型與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】以分析中國體態假人與FAA Hybrid Ⅲ型假人模型差異性為目的，依據中國人體體態數據，運用MADYMO/Scaler軟件模塊，建立中國成年男性50百分位體態假人模型。以某客艙段布置為基礎，建立了兩類假人的約束系統模型，按照CCAR第25.562條的規定，進行了水平沖擊仿真試驗。研究結果表明：中國50百分位身材的假人模型頭部損傷風險明顯大于FAA Hybrid III 型假人模型；而胸部、頸部和盆骨處的損傷風險具有差異性，其差異普遍為20%-30%；此外，由于假人下肢長度及座椅高度的影響，下肢載荷差異顯著。

【關鍵詞】動態沖擊；假人模型；中國人體；仿真

0 引言

對航空事故的調查表明，如果飛機結構設計過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，飛機乘員保護相關條款的符合性，主要還是依靠整機及部件試驗進行驗證，而在飛機墜撞試驗中，歐美各國的法規均要求使用 Hybrid III 型50百分位男性假人，以此考慮飛機在墜撞過程中，人體的響應數據和傷害指標。該型假人身高175.5cm，體重78.15kg[3]，然而，我國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，對于安全性要求嚴格的航空業，在試驗中使用Hybrid III 型50百分位男性假人，能否正確反映中國人體的動態響應數據，座椅等產品的設計是否滿足設計要求，值得我們加以研究。

國外對于假人及其動態響應進行了大量的研究。從1960年開始，美國RSD公司和通用汽車研發了Hybrid系列假人，已廣泛用于汽車和航空航天領域，目前已發展到了Ⅲ型。80年代初期，美國開始發展乘員逃逸系統測試（CREST）計劃。到1983年，成功研制了肢體約束評估假人（LRE）。在實施CREST計劃后期，研究人員發現LRE未能完全滿足試驗要求，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，并對其動態響應進行了分析[5]。

我國對于假人的研究起步較晚，而且主要集中在假人建模方面。航天醫學工程研究所于 2002 年開始研發我國新一代彈射座椅試驗用SZM510型假人，馬紅磊等人將其與Hybrid Ⅲ 型假人的沖擊響應特性進行比較，表明SZM510假人能夠適用于高沖擊過載下的乘員安全性評價 [6]。四川大學的陳爽等人，基于有限元法，完成了95%國產假人的研制。標定結果表明，靈活運用有限元分析方法能夠實現碰撞假人力學結構的仿真性[3]。戢敏等人建立了我國50百分位飛行員參數特征的假人下肢有限元模型，對直升機抗墜毀試驗中的假人下肢動力學性能進行了研究[7]。

本文以上觀點出發，首先參照國家體育總局等單位公布的《2000年國民體質監測報告》中的中國人體體態數據，以MADYMO軟件假人庫中的 FAA Hybrid III 型假人為基礎，應用MADYMO/Scaler 程序建立符合中國人體的假人模型，按照CCAR25.562的要求，進行水平動態沖擊仿真試驗，最后整理仿真結果數據，分析中國體態假人與 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的設計中，使用符合實際要求的假人至關重要，這樣可以準確評估人體的真實響應和各項指標。MADYMO軟件基于以上觀點的考慮，提供了MADYMO/Scaler 程序，方便設計人員根據具體的設計目的，在現有假人庫仿真假人的基礎上，對其各部位尺寸進行修改，得到目標假人。

MADYMO/Scaler 程序使用其先進的非線性縮放方法，能夠縮放所有的機械參數，包括鉸鏈的剛度和阻尼。第一階段，以參考假人為基礎，根據用戶輸入的特定尺寸，程序根據其特有的縮放因子，生成目標假人。經過這一階段的縮放后，結果模型的尺寸、質量、轉動慣量、關節位置、橢球體參數、力模型、鉸鏈模型和接觸特性被控制，但由于多個因子的復雜縮放，致使主要尺寸和質量有些偏差，需要第二階段進行修正。在第二階段，MADYMO程序將第一階段用過的縮放因子乘以一系列的修正系數進行最終修訂，其最佳修正系數根據數值最優化確定，最終生成一個最優的縮放模型。

2 中國人體體態數據

2000年，國家體育總局、教育部、科技部、國家民委、民政部、財政部、農業部、衛生部、國家統計局、全國總工會10個部門聯合在全國31個?。▍^、市）進行了國民體質監測工作，根據監測數據發布了《2000年國民體質監測報告》。

該報告公布的中國人體主要尺寸包括：身高、體重、大臂長、小臂長、大腿長、小腿長等六項。同時，公布了中國人體坐姿尺寸，其包括：坐高、坐姿眼高、坐姿頸椎點高、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等十一項數據。

3 中國體態假人的建立

參考《2000年國民體質監測報》中50百分位男性體態數據，在Hybrid III 型50百分位男性FAA假人（參考假人）基礎上，使用MADYMO/Scaler 程序，生成中國人體體態的假人模型（目標假人）。同時，對目標假人進行測量，將其與實際人體體態數據對比，確保目標假人滿足中國人體體態數據要求。

4 乘員—座椅約束系統仿真模型的建立

4.1 系統模型的建立

仿真系統模型中，主要包括客艙框段（艙壁、前部分艙板和地板）、座椅、約束系統（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身框段頭排單人座椅模型，都為多剛體模型，同時在座椅靠背，坐墊處增加了鉸鏈剛度，以此模擬實際的座椅特性。

圖1 仿真系統模型圖

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

此外，前方假人為MADYMO假人家族庫中FAA Hybrid Ⅲ 型假人模型，后方假人采用前述所建立的中國人體假人，為了客觀準確對比兩類假人響應的差異性，參考AC25.562-1B的要求，兩類假人模型乘坐姿態相同。前后兩個模型互不干擾，在同樣的客艙模型和加載工況下，得到獨立的乘員墜撞動態響應。

4.2 接觸的定義

飛機墜撞是一個極其復雜的過程，具有瞬態非線性特征，因此，在仿真建模時，假人、艙壁、地板、座椅和安全帶之間接觸的準確定義就顯得極其重要，決定了仿真結果的可靠性。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 初始條件的設定

首先對本模型施加向下重力場，依據CCAR 25.562（b）（2）的要求并參考AC 25.562-1B，對其進行水平動態沖擊試驗。加載脈沖為等腰三角線，在0.09s時減速度峰值為16G。

4.4 假人響應的輸出設置

按照CCAR25.562（b）（2）的要求，動態沖擊試驗中，乘員的損傷評價指標主要包括頭部損傷準則HIC、脊柱載荷和股骨載荷。同時，根據人體沖擊生物力學及假人模型的特性，將胸部變形量、粘性損傷響應VC、頸部Nij及小腿受力作為輸出參數，加以對比，全面考察分析兩種體態假人的差異性。

5 仿真結果對比分析

將建立的模型進行計算求解，在結果文件中讀取設定的各輸出參數指標。在研究墜撞過程中的假人響應時，通常以頭部、胸部和盆骨處的加速度作為主要研究參數，同時根據墜撞的特殊性，輸出一些具體的傷害準則。

5.1 頭部加速度仿真結果對比

從FAA Hybrid III 型假人（參考假人）與中國體態假人模型的頭部合成加速度響應曲線可知，兩種不同體態的假人，其頭部加速度曲線趨勢類似，峰值時刻都在180ms左右，峰值基本相同。但是由于目標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值僅作橫向對比使用，不作為條款符合性判據。

5.2 胸部加速度結果對比

從胸部合成加速度對比曲線可知，兩種假人胸部加速度趨勢基本相同，尤其在沖擊墜撞的后期，高度吻合。而在墜撞前期，由于體態不同而引起的坐姿變化，造成曲線趨勢和峰值的差異性。從結果數據可知，目標假人在90.7ms時的峰值為63.4G，比參考假人103ms時的峰值54.12要高，兩者相差14.64%。

5.3 盆骨加速度結果對比

兩種體態假人的盆骨處合成加速度曲線趨勢類似，這主要是因為安全帶在此處與假人貼合，并始終將假人固定在坐墊上。但是又由于中國體態假人身材較為矮小，安全帶固定偏差，造成了在90ms時刻最大加載脈沖處，目標假人的盆骨加速度為158.52G，遠遠大于參考假人的79.65G。

5.4 股骨載荷結果對比

目標假人和參考假人左右股骨受力曲線的總趨勢類似，但是由于參考假人腿部較長、質量更大，所以在墜撞前期，假人腿部與前部擋板發生碰撞的時間更長沖擊更大，左股骨在152ms時刻會產生極大的沖擊載荷，數值為9125.55N。而在墜撞后期，右股骨波動較大，在255ms時，產生5333.45N的沖擊突變載荷。此外，由于初始條件設定中，座艙具有10°偏航角，所以在發生碰撞的過程中，左右股骨受力曲線的趨勢和峰值，具有明顯的差異。

5.5 損傷指標對比

通過對表1中兩類假人頭部、胸部、頸部和下肢部位損傷參數及其對比可知，目標假人頭部比參考假人的頭部損傷準則HIC值大50%左右；在胸部三個指標中，參考假人的Ccomp和VC較大，而C3MS比目標假人小，胸部各參數總體指標差異介于20%-35%之間；假人頸部，除了NCF外，目標假人損傷準則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，由于目標假人體態矮小，尤其是其下肢長度較小，以及座椅高度的因素，引起兩類假人的下肢姿態具有明顯的差別，這就造成了下肢受力差別較大，同時，也由此能夠看出，在飛機沖擊試驗中，座椅高度對人體下肢受力具有顯著的影響。

6 結論

本文以MADYMO假人家族庫中FAA Hybrid III型假人模型為基礎，使用MADYMO/Scaler程序，參照中國人體體態數據，建立了中國成年男性50百分位人體假人模型。然后，建立了兩類假人的客艙座

椅約束系統模型，依據CCAR25.562的要求進行水平動態沖擊仿真試驗。最后，對兩類假人頭部、頸部、胸部、盆骨和下肢的動態響應參數及損傷準則進行了對比。

將仿真結果對比可知，在縱向沖擊情況下，中國50百分位身材的假人模型頭部損傷風險明顯大于FAA Hybrid III 型假人模型。胸部、頸部和盆骨處的損傷風險具有差異性，其差異普遍約為20%-30%。而體態的差異對腿部載荷最為明顯。由此可見，采用Hybrid III 型假人模型并不能準確評估飛機墜撞試驗中我國人體的動態響應，也就無法有效進行飛機乘員保護的研究。因此，為了能夠適應我國飛機的試驗及研究要求，尤其是目前正在開展的大型運輸機的研制，有必要盡早開展和完善符合我國人體體態特征的假人研究工作。

【參考文獻】

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[責任編輯：王偉平]