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汽车布置CAD设计中数字化三维人体模型的应用
丁祎胡平郭竹亭

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摘要：汽车内部布置设计是汽车设计中以人为中心的复杂且重要的设计过程．本文论述了数字化三维人体模型技术，及其在虚拟的汽车内部人机工程学布置设计中所发挥的重要作用．列出了与汽车内部布置的相关的SAE标准。关键词：数字化三维人体模型人机工程学分析汽车内部布置虚拟设计技术 1 前言汽车是非常复杂的产品并需满足各方面的性能要求，其设计开发过程也由许多不同的工作阶段组成，而各工作阶段又需要使用多种不同的设计验证技术。只有采用新技术将整个产品的开发过程及其不同的工作方式进行全面的集成才能达到加速和优化设计的目的。数字化虚拟技术就是通过集成各种计算机技术，并充分发挥其应用潜能，使产品开发设计能够可靠地在计算机系统内，以数字化模型方式完成产品的设计和验证。在汽车开发中，虚拟技术有助于决策层及早对设计方案进行决策和进行跟踪管理；有助于加强异地的合作，共同解决技术难题；有助于在制造样车前进行反复验证和校核，从而及早发现和避免设计错误；有助于在产品投产前及早获取产品信息以进行市场调查。贯穿于产品开发全过程的数字化虚拟技术可使产品特性得到全面系统的优化，使开发周期大大缩短，开发费用大大减少，提高产品质量，最终提高企业在市场的竞争力。 2 汽车内部布置设计汽车内部布置是一个从构思、设计到验证的复杂的系统工程．布置时要考虑众多的约束关系和人机工程的要求。汽车内部布置是“以人为中心”的设计，即以人为中心，在满足一定的约束条件下，运用人机工程学达到人－车－环境和谐的设计理念。汽车内部布置设计是同时进行多方面布置的设计过程，也是不断反复递进寻求最优化方案的设计过程。汽车内部布置主要任务是：①车型主要布置尺寸确定：乘员布置；整车主要尺寸确定；踏板，换档杆及手刹位置布置；转向盘及转向管柱布置；行李箱布置；侧车窗玻璃；顶盖位置；座椅及仪表板布置等。②人机工程学研究：确保驾驶员及乘员的居住舒适性，安全性，以及驾驶员的操纵方便性和具有良好的视野等。③法规符合性校核：风窗面积及雨刷布置；手伸及界面；仪表板可视范围；内外后视镜视野；安全带固定点等。在满足这些要求的同时，还要尽量减小整车质量，增大车室内空间，提高整车的经济性能。在传统的设计中，工程师使用二维人体模板在二维主图版上进行汽车内部布置设计，无法事先对踏板、换档杆、转向盘的操纵性和坐姿及视野性等性能进行空间位置的评估和验证，只有在制作了物理样车后由一定比例的人进行实际的驾驶操作才可完成验证．如今，由于计算机技术的发展和应用，在汽车开发中已广泛采用CAD 方法进行三维数字化设计，以三维数据为主线，使用虚拟样车来优化产品设计和验证过程。因而，数字化三维人体模型相应地在汽车内部布置的人体工程学模拟和分析中发挥其潜能和优势。 3 数字化三维人体模型在产品周期的各个阶段，人都是最重要的因素。数字化三维人体模型可有效地应用在汽车虚拟设计及制造的整个生命周期，从初始的概念方案设计至最后的产品验证。数字化人体模型技术可辅助设计者确定人在相应的工作环境下的性能，确定人体尺寸／形态／功能及其定位，满足舒适性和安全性标准的要求。如图1 所示，在虚拟的CAD 设计数据中，可调入此虚拟的人体模型，完成操作任务和分析工作。通过三维人体模型可运用数字人体和电子样车进行与人相关要素的模拟分析校核，如人的可操作性，舒适性，可视性等重要设计要素。在汽车内部布置过程中应用数字化三维人体模型可提高设计效率和设计质量；改善安全性及人机工程学性能；减少物理样车的制造及验证工作和周期。（图片）图1 数字化三维人体模型应用在CAD 设计中波音公司、通用公司、戴姆勒－克莱斯勒公司等这些大的飞机和汽车公司已将数字化三维人体模型越来越广泛的应用于产品生命周期的各个方面和各个阶段．CATIA，EDS 等大的软件公司，也相继推出数字化三维人体模块供用户使用并不断补充及完善。现以CATIA 的人体模型模块（Manikin）为例简要说明数字化三维人体模型的主要功能。该三维人体模型包括4 个子模块：构造人体（Human Builder）模块，生成可与产品相配合的人体模型；编辑人体尺寸(Human Measurement Edit)模块，可对人体模型的各部分的尺寸进行有比例地调整；人体动作分析（Human Activity Analysis）模块，对人肢体进行由静态姿势到复杂的动态动作的评价；人体姿态分析(Human Posture Analysis)模块，进行人体各种姿态的分析。此人体模型包括有104 组人体测量数据；100 个无约束的连接；148 个自由度；各种姿势轮廓；包含所有关节的手模型、脊椎模型、肩模型、臀部模型等模型；可表现关节活动的制约及动作运动的上下极限并可进行调节。此模块具有如下几方面用途：测量人体尺寸；视野分析；坐姿分析；运动舒适角度分析；伸及范围分析；举升、放下和搬运分析；设计干涉检查；运动模拟等。 4 按SAE 标准进行汽车内部布置时涉及到的人体工程学内容在进行汽车内部布置时，SAE 中有如下用于驾驶员和乘员的人体工程学研究和设计的相关标准。（图片）（图片） 5 应用数字化三维人体模型进行汽车内部布置及设计校核数字化三维人体模型在汽车内部布置设计及校核中承担着人机工程学的布置设计及校核验证的重要角色。图2 所示为数字化三维人体模型在一汽车内部布置中的应用实例。它协助汽车设计工程师进行一系列乘员内部居住性的布置优化工作，主要包括：协助确定汽车主要控制尺寸；确定不同人体尺寸的驾驶员及乘员的乘坐位置和驾驶姿态；对人体乘坐姿态及其舒适性进行分析和评估；确定踏板、转向盘、操纵杆、仪表及控制按纽等零件的布置位置，并进行操作合理性评价；模拟乘员上下车姿态以评估上下车方便性；驾驶员及乘员的座椅位置确定及安全带的固定位置的确定；模拟座椅的滑动、及杆件操纵的运动过程并进行评价；校核驾驶员驾驶过程中的直接视野和通过内外后视镜的间接视野的法规符合性；协助进行仪表板布置和仪表板盲区的校核；确定合理的车内宽度和头顶空间；分析人体重量在座椅上的力的分布；对手及脚对操纵部件操作时所施加的力进行评估；同时检查设计间隙及干涉分析，最终记录数据并输出优化的布置结果。（图片）图2 数字化三维人体模型在汽车内部布置中的应用 6 结论与展望数字化三维人体模型为汽车内部布置的虚拟设计提供了一个有利的工具。随着虚拟技术的发展，虚拟现实技术也被应用在汽车的虚拟产品开发过程中。例如，可以利用一个虚拟的座位把虚拟现实技术与物理模型联结在一起，让驾驶员戴着头盔和数字手套感知汽车驾驶室的内部空间的布置来评价虚拟的布置状况，检查内部空间设计的可操作性和舒适性。虚拟设计和验证技术将越来越广泛的应用于产品开发中。参考文献 1 SAE Recommended Practices 2 Joachim Rix, André Stork， Combining ergonomic and field-of-view analysis using virtual humans，Fraunhofer Institute for Computer Graphics, Darmstadt, Germany，2001 3 郭竹亭主编. 汽车车身设计. 吉林科学技术出版社，1992 4 温吾凡. 汽车人体工程学. 吉林科学技术出版社，1991 5 CATIA – Manikin User Manuals, 2002 年 6 EDS - Jack User Manuals, 2002 年 6/9/2005


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