车辆碰撞模拟仿真分析假人模型

1、关于车辆碰撞仿真分析用人体模型的认识学习笔记及认识总结李良车辆工程30608020406人体模型：以人体参数为基础建立，描述人体形态特征和力学特征的有效工具, 是研究、分析、设计、评价、试验人机系统不可缺少的重要辅助手段。根据人体模型的用途进行分类：1、设计用人体模型一一汽车用h点人体模型2、作业分析用人体模3、工作姿势分析用人体模型4、动作分析用人体模型p人机系统匹配评价用人体模型5、人机界面匹配评价用人体模型 j试验用人体模型一一汽车碰撞试验用人体模型一、概况介绍 车辆车辆碰撞过程中，车内成员运动的动力学过程具有大位移、非线性、多自由度、 瞬时性等特点，建立适合于这些特点的、基于多体系统动

2、力学的人机模型，是进行 车辆碰撞过程车内成员运动响应分析的关键技术问题。基于多体系统动力学的二维和三维人体模型，应用于汽车碰撞过程中乘员运动 响应的仿真分析、汽车碰撞行人事故中人体运动的仿真分析等问题的研究。人体模型的结构：（以mijl3d汽车碰撞人体运动响应 为例）1、人体模型的组成:13个刚体一一头部、颈部、胸部、腰腹部、臀部、左右 上臂、左右前臂和手、左右大腿、左右小腿和足。2、相邻刚体之间的较接约束形式根据人体关节的解剖学结构特点选取。胸部与左右上臂之间的肩关节一一万向节左、右上臂与左、右前臂之间的肘关节一一转动副 左、右大腿与左、右小腿之间的膝关节 一一转动副 其它各关节一一球面副3

3、、为了描述和计算人体与车身有关结构之间的碰撞力，根据碰撞接触的可能形 式，将人体模型各组成部分的形状用椭球加以描述，将车身有关结构部分的形状用 平面加以描述，按椭球与平面的贯穿接触来计算贯穿接触力。二、虚拟现实中多刚体人体模型的构建1、人体hanavan模型概述在虚拟环境中模拟人体运动，首先就是要建立逼真的人体模型。从运动生物力 学角度看，还要建立运动技术的力学模型，必须知道内在规律和约束条件两类因素。 人体的外形主要是由人体的骨骼结构和附着在骨骼上的肌肉运动决定的。在人体运动过程中，皮肤的形变随着骨骼的弯曲和肌肉的伸展与收缩而变化。人体外形模型 构建通常釆用棒模型、表面模型和体模型三种方法。

4、棒模型是将人体轮廓用棒图形 和关节来表示。表面模型是由一系列多边形和曲面片的表面将人体骨骼包围起来表 示人体外型，该模型可以通过修改表面点来表示人体的运动，也可以消除其隐藏面, 真实感较强，但有限的多边形面表示人体表面光滑性不够。体模型是由基本体素的 组合来表示人体外型，如采用圆柱体、椭球体、球体等体素来构造人体。人体在忽略受力产生形变的情况下，可看作一个由关节点连接的多个刚体所构圏*1 hanavan人体模型成的系统。人体运动仿真系统的人体模型通常采用 的是汉纳范（hanavan）模型。它将人体分解为1 5 段，由头、上躯干、下躯干、左上臂、左下臂、左 手、右上臂、右下臂、右手、左大腿、左小

5、腿、左 脚、右大腿、右小腿、右脚组成，每一段皆为匀质 的不可变形的刚体，各段之间以绞链相连接5。对 于一般的刚体，任意时刻只要知道它的空间位置、 姿态，就能在空间中描述这个刚体。而人体不同于 一般的刚体，人体是由200多个旋转关节组成的复 杂形体，仅仅依靠三个位置量、三个姿态角不能模 拟真实的人体运动，需要提供所有的关节数据。所 以人体运动的仿真要远复杂于一般的刚体，也就更 具挑战性。2、三维人体模型设计由于人体结构的复杂性，有必要对人体进行抽象和简化，为了更好的描述运动, 把人构造成层次结构。人体骨架模型主要由关节和骨骼构成。有些关节结构比较复 杂，比如肩关节，它实际上由很多组织构成，但这里

6、只把它当作一个类似较链的关 节。对于骨骼也作了简化，比如前臂本来是由尺骨和橈骨组成的，这里把尺骨和橈 骨合并为一个骨骼，把骨骼看作不可形变的刚体。关节是连结人体各部位的环节，也是人体运动的枢纽，是传递力和力矩、使人 体能作正常运动的重要器官。人体关节的自由度多，因而可实现许多精细运动。人 体各个关节（分为车轴关节、滑车关节、椭圆关节、鞍状关节、球窝关节）活动的 方向与角度，与关节的表面形态有密切的关系，且决定着关节运动的自由度2。一个物体沿x （y、z ）轴方向移动称具有一个自由度，绕x （y、z ）轴方向转 动称具有一个自由度，要确定一个物体的空间位置和姿态至少需要六个自由度。人体关节根据实

7、际运动动作通常被模拟为圆柱绞、万向绞和球较，它受到人体 运动生理上的限制。所有关节，在健康状态下加上肌肉和韧带的关系，某一关节的 自由度不多于3个，所以必须明确人体各关节运动的约束条件。人体模型中各肢体之间存在一定的运动连带关系。将关节看成点，将关节之间的 骨骼看成是链，就可以按照运动关系将各肢体链接起来。人体分层结构其实就是树形结构。每个节点只有一个父亲，根节点无父亲；关节的父亲和儿子是骨骼, 每个关节只有一个儿子；骨骼的父亲和儿子是关节；每块骨骼可能有多个子关节。 根据汉纳范（hanavan）人体运动系统模型，总共定义了 15个关节15块骨骼；根 骨骼是下躯干骨骼，其父关节是jroot,是

8、面向世界坐标的，是树的总根。3、三维人体模型设计实现针对人体模型的复杂性，采用参数化的方法来表述人体的拓扑信息、几何信息 以及物理信息。即把人体分成由不同的块和关节组成，各个块和关节用参数来描述, 然后用树结构把各块的关系表示出来。对于人体模型的构造过程，具体来说，可根 据某一个块的参数来构造出人体某一部分的骨架，这个骨架是采用面向对象技术， 由骨骼类、关节类按具体的基本形体来表现4 o人体模型的主要目的是进行人体运动仿真研究，以及提供虚拟现实或三维游戏 角色。运用面向对象技术将人体划分为骨骼类、关节类，按人体结构层次建立了人 体多刚体模型，为今后实现人体运动打下了基础。人体模型的各关节的活动

9、均可由 成员变量控制，这样就可以根据人体运动方程和碰撞检测结果，完成站立、坐下、 下蹲、卧倒、步行、奔跑、跳跃、攀援、爬行、游泳、取物、推拉、射击等基本动 作1。开发者也可以根据需要，组合出更加复杂的人体动作。三、汽车碰撞过程中人员响应的仿真建模通过人机工程分析，构造多刚体系统的人体模型，应用数理方法，建立高速 公路汽车碰撞乘员动力学响应的数学模型，应用该模型可以部分代替实车碰撞试 验，进行汽车主、被动安全性能的计算机仿真研究以及乘员致伤机理研究。近年来，我国高速公路里程增长迅速，由交通事故统计资料发现我国高速公路 上汽车追尾冲突事故占很高的比例。汽车发生追尾冲突时，由于惯性，乘员的头部、 胸

10、部、大腿和小腿等将发生移动和碰撞，导致乘员身体受伤及颈部产生挥鞭样损伤。以汽车正面碰撞事故中乘员的运动为原形，在人因分析的基础上建立人体的物理 和数学模型，并进行计算机仿真，研究汽车碰撞过程中乘员的动力学响应，从而 为交通事故中乘员损伤程度的判定、车内的安全保护设施的结构布置和材料特性以 及它们对乘员安全影响的研究提供科学依据。1、 人因分析和人体建模在汽车碰撞研究中，人体可用假人，也可用力学和数学模型来模拟。前者关键 在于使研制出的假人能符合人体的生物学特点，如模拟人体各关节的钱的自由度、 刚度阻尼特性以及模拟人体肌肉材料的响应特性，要符合人体实际情况。后者关键 在于所建立的人体模型的响应特

11、性（如对冲击力、加速度等输入的响应）应符合人体 响应特性1 。人体运动仿真是由生物力学，计算机图形学，机器人学等学科交叉而形成新兴 的研究方向。人体建模的主要过程包括：（1）确定人体模型的组成部分，包括各部件（器 官）、约束（关节）及其几何外形等；（2）取得描述人体模型的空间方位、几何及运 动物理参数等各种数据；（3）确定全局坐标系，组装模型，并使各部件的局部坐标 简化，便于分析计算；（4）对人体模型初步校核，消除尺寸误差，限定各关节的运 动范围；（5）对人体模型添加附加约束、力和运动，构造人机系统模型，将其应用 于具体问题中进行分析研究。此外，还可根据实际情况对人体模型及其环境适当简 化而不

12、影响分析结果，从而更有利于模型的建立，实现 运动仿真。把坐姿状态的人体简化为由较链接的七个刚体的多 刚体系统，如图所示。刚体b i （ i二1, 2, 3, 4, 5, 6）分别代表人体 的脚、小腿、大腿、身躯、头颈、上臂和前臂，较oi （i 6 =1, 2, 3, 4, 5, 6）分别代表相应的关节。由较链接的 刚体偶对之间的相对运动只有转动。在对人体头颈部的仿真非常重要，因为在实际的交 通事故中由于头颈伤害致死的比例相当大2 。头颈的 显著特点是颈椎相邻体之间有相对滑动，因此在模型中 将其定义为一个复合运动副，即在三个方向转动的球面 副的基础上增加了一个竖直方向滑动的移动副，使其更 接近头

13、颈部真实的运动状态。多刚体人体模型体较示意图描述模型的参数主要包括：人体总体尺寸与各部位的尺寸、质量、惯量和体积 等参数，各种组织器官的密度、杨氏模量和泊松比等。本人体模型所需数据主要包 括：（1）描述乘员的基本数据，主要来自于文献3；对中国成年人体几何参数, 主要参照了中国成年人体尺寸标准数据4 ；力学参数主要参照文献5 中提供 的实验所得中国成年人体的真实测量数据。（2）人体在碰撞前的运动参数（如位置、 速度等）o （3）与运动有关的物理参数。可通过对人体进行运动分析实验，来获得其 运动规律的实测值，从而得出与运动有关的物理参数，如刚度、弹性模量和阻尼系数等。(a)m) ms(z>)

14、产30 ms(c)1=70 ms(d)尸=90 ms模型的运动响应时间序列图运用该模型对汽车碰撞中运动响应的时间序列进行了计算，如上图所示，其对 应时间段的姿势与文献6、文献7中对假人实验结果的描述基本符合，表明所 建人体模型具有很好的实用性。2碰撞的物理和数学模型2.1物理模型的建立oo乘员-汽车系统的物理模型乘员-汽车系统的简化方法：(1) 人体模型为由较链接的七个刚体的多刚体系统；(2) 座椅靠背和头部保护装置用刚体框架代替，其连接刚度用非线性弹簧和阻 尼器模拟；(3) 座椅和头部保护装置的软垫及安全带用非线性弹簧模拟；(4) 乘员的脚和汽车内部底板之间的相互接触作用用非线性弹簧和阻尼器

15、模 拟。所用弹簧和阻尼的运动和力学特性、链接处运动和力学特性由试验取得。本文 针对高速公路中汽车正面冲突的特点，建立一个模拟汽车正面冲突中前、后两车乘 员的动力学响应的二维八自由度模型，如上图所示。2. 2数学模型的建立当前多刚体系统动力学研究方法很多，主要有牛顿2欧拉法（n2e法）、拉格朗 日2欧拉法（l 2e法）、罗伯森2维滕伯格法（r2w法）、凯恩法（kane法）、变分法 （gau ss最小约束原理法），本文将采用l - e法进行动力学建模。拉格朗日方程为式中:er、ep分别为（乘员汽车）系统的动能、势能必为系统中内摩擦的能量耗歆函数£ 为广义坐标:z为广义速度:洽/為为广义动

16、量:“为乘员约束系统的约束力。zi（i= 1. 2. a. 8）分别用xio.yio. ft. q. ft. ft. ft, srao 其中（xio. 'io）为乘员腰部坐标:9）为 座椅靠背的旋转角度:6.为头部的旋转角度:8为躯干的旋转角度:a为大腿的旋转角度:a为小腿 的旋转角度:a为头部保护装置的旋转角度。把上述广义坐标和e k , ed , e p的表达式代入拉格朗日方程，经推导、整 理得以下数学模型方程式：前后方向（x轴）运动方程式、上下方向（y轴）运动方 程式、座椅回转运动方程式、乘员头部回转运动方程式、乘员躯干回转运动方程式、 乘员大腿回转运动方程式、乘员小腿回转运动方

17、程式、乘员头部保护装置回转运动 方程式。3计算仿真程序步骤 输入参数初始值； 计算t = 0时刻乘员身体各部分的位移、速度、加速度等输出参数的结果 并存储； 设定计算步长$t ; t = t + at ； 如果t < t max （t max为设定的t的最大值），则计算新时刻的模拟参数 值，否则转向第步； 判断迭代是否收敛?若收敛则存储结果并转向第步，若不收敛则使t二 0、at = at /2,转向第步； 输出模拟结果； 询问是否进行第二次计算？是，则转向第步，否，则结束程序。4计算仿真分析向软件输入实验所用的假人配置和计算结果，用同样的假人做实验，测量实验 结果，两种结果对比如下所示。

18、t-计算值 t-实笛测垃值0.050.100.1s0.20r/s4 车鯨后加速度对比0.050.10.15r/s圏108 6 4 2 0 窗s4疾亦00.050.10 0js 0.20t/s图8胸前后加速度对比汁算債图10 腰前后加速度对比5模型与现实比较的结论图5 车上下加速度对比2亠计算值 亠实验测0.050.10 fl is 0.20c/sl o16-40头上下加速度对比0.0500.15r/s9 胸上下加途度对比*计算值 亠实验测童位0.050.100 15r/s图11 腰上下加逮度对比以现代高速公路上汽车正面碰撞为研究对象，通过人因分析，建立乘员响应的 物理和数学模型，计算结果和实验

19、结果比较接近，表明该模型具有较高的模拟精度, 可部分代替假人台车碰撞和实车碰撞实验，具有一定的实用价值。计算值和实验值 在碰撞初期非常接近，但后期差异较大，这是由于计算时将人体视为刚体的假定所 致，进一步修正刚体假定所带来的误差，使得计算结果更接近实际值，是今后进一 步的研究方向。四、模型技术的应用车辆碰撞事故再现技术1 车辆碰撞的计算机仿真车辆碰撞事故的车速鉴定、交通事故防治和行人保护等方面是目前车辆安全技 术应用研究的重点。在汽车安全研究领域，计算机仿真是经济而有效的分析方法, 具有周期短、费用低、精度高和可重复等优点，广泛应用于交通事故再现、汽车及 其安全装置、道路设施的设计，以及碰撞中

20、人体生物力学响应分析等研究方面。利 用计算机仿真技术研究汽车人机系统在车辆行驶过程中的运动变化，特别是碰撞过 程的仿真分析，对提高汽车安全性、防治交通事故和增进人体保护等方面具有重要 的意义。由于计算机软、硬件的发展和汽车市场的竞争日益激烈，国际上近20年来， 汽车碰撞的计算机仿真技术发展迅速。进入80年代，欧美等先进国家推出了用于 汽车碰撞仿真的商业化软件包，著名的有ls0dyna3d. smac、pamcrash和madym0 等。这些功能强大的软件包在安全车身开发、事故鉴定分析、碰撞受害者保护、碰 撞试验用标准假人开发和人体生物力学等研究工作中发挥了较大作用。国内一些高校和科研机构正在积

21、极从事汽车碰撞理论与仿真技术的研究。尽管 总体上与国外相比还有很大差距，但预计不久的将来，在我国会有适于工程应用的 仿真软件问世，汽车碰撞的计算机仿真技术将会有更为广泛的应用。车辆碰撞计算 机仿真技术的一个主要应用方面就是交通事故的再现，辅助事故处理人员快速、高 质量地进行现场勘察、参数计算和事故分析，进而研究事故发生的原因，探求避免 事故、减少损失的策略。2 事故再现的模型动犠冲能储分多体功力学法类单车冇阪元法f塑零乍一厅人1卜机动计k机仿真图1 事故再现的理论与技术车辆碰撞的事故再现是在事故发生后，由车辆的最终位置开始，运用按相关 理论方法、实验数据以及专家经验建立的运动学和动力学模型往回

22、推算，即：碰撞 后阶段碰撞阶段碰撞前阶段，使整个事故过程的实际情况在时间和空间上得 以重现。将事故再现的模型与方法、理论与技术研究的各方面进行归纳综合，如图 1所示。针对车辆碰撞过程进行分析，人们利用动量冲量、能量、动力学和实体的弹塑 性质等理论建立了许多具有代表性的模型，以其为基础的著名事故再现软件系统 有crash. smac、pcocrash等。由于这些模型要适用于多种典型的碰撞类型，具有 普遍的意义，因此称这种建模方法为统一模型方法。统一模型方法大都由直接描述 碰撞阶段特性的特征参数出发，建立联立方程，这些参数包括碰撞中心、接触面的摩擦系数、恢复系数和车辆变形特性等。如动力学方法使用车

23、辆之间的挤压特性, 能量方法使用碰撞阶段车辆的变形与刚度值，动量冲量方法使用接触面的回弹系数 或摩擦系数以及碰撞中心的位置。这些特征参数描述了特定碰撞阶段的实质及作用 效果，反映速度变化，是碰撞阶段最直接的属性。碰撞中心表示碰撞阶段等效力的 作用位置，回弹系数与摩擦系数表示接触面法向与切向的相互作用，汽车变形特性 则表示接触面的力与变形关系。碰撞阶段不同，这些参数的取值就不同，而且差别 较大。为了更加准确地再现交通事故，需要事故分析人员合理选取这些参数特征值。 国外做了大量的实车碰撞试验，这些试验数据可以辅助事故分析人员确定这些参数 的取值。如针对crash中需要确定变形刚度a、b,smac中

24、需要确定刚度kv , nhtsa （美国道路交通安全管理局）提供了相应的试验数据值；动量冲量方法需要确定回 弹系数的值，jari（日本汽车研究所）也为此做出了大量的试验，结果供研究参考。各种碰撞模型一直在不断地改进和完善，基于各种先进理论方法的新模型取代 旧模型，促进了事故再现技术的发展。国内也正在兴起探索对车辆碰撞事故模型的 研究。比如西安公路交通大学与日本汽车研究所合作开发了车对车碰撞事故再现计 算机模拟系统，并在此基础上研究了含第二次碰撞的计算模型1 ;针对国内实车 碰撞试验数据很少的实际情况，清华大学汽车研究所研制出cm （classified method）事故再现模型，采用人工智能

25、技术根据特定事故形态的特点建立具体模 型。3 事故再现的关键问题利用事故再现计算机软件能快速准确地判定交通事故的起因和性质，但开发一 套完善的事故再现软件却是一项庞大的系统工程。它不但需要对各种复杂的交通事 故分类、建立各种具体的交通事故再现模型、车身和人体模型等必要的准备工作，而 且还得依靠经验丰富的事故分析专家的支持。软件中应包括交通事故现场信息采集 子系统来获得真实可靠的数据，交通事故再现子系统能准确计算出各种未知参数再 现事故发生的全过程，交通事故原因分析子系统则利用专家经验、依照相应法律法 规对交通事故进行认定，因此还要求软件系统包含由各种典型道路、车辆、人体和 环境等要素构成的数据

26、库、法律法规以及专家经验组成的知识库。其中每一个环节 的处理都是至关重要的。交通事故现场的信息采集是事故分析的前提，釆集数据的准确程度影响事故再 现的结果。人工测量总是耗时和存在一定的偶然误差，而采用计算机视觉和图像识 别处理方法可以快速、准确获取现场信息。自动采集事故信息并输入计算机，由计 算机绘制交通事故现场图获取特征参数已经成为今后的发展方向。现在，应用数字化摄影测量技术，可以通过对现场场景和汽车变形的测量，创建汽车的三维模型, 由此决定汽车的等效碰撞速度等重要参数，有关试验表明该方法已达到较高的精度 6 。确定汽车的碰撞速度是交通事故鉴定的关键所在。推算汽车碰撞速度的常用方 法包括理论

27、计算、经验推算和综合方法等。理论计算方法采用动量守恒和能量守恒 定律等基本理论来推算碰撞速度，是最常用的计算方法。经验方法利用已有的统计 数据和经验公式推算碰撞速度。综合方法则结合了前两种方法的优点，以事故现场 存在的多个数据为依据推算碰撞速度，又分为专家评分法和约束法两种7。其中 约束法的结果是经过了事故技术鉴定人员的详细分析，已将个别虚假数据剔除，并 结合考虑了理论计算方法和经验方法的各个结果。总体来说，采用计算机仿真来推 算汽车碰撞速度，具有高效、准确等特点，并能综合考虑各种计算方法，通过反复 比较分析，辅以专家经验，最后给出与真实情况更为接近的分析结果。车辆碰撞事故再现技术方面存在的另

28、一个关键问题就是如何评判事故再现结果 的置信度。从试验或事故调查中获取的数据往往是不精确的。事故再现算法中各输 入量存在不同程度的不确定度，这些不确定度经过传播与累积带来计算结果值的不 确定。应用不确定度理论对事故包含的数据与再现分析的结果进行不确定度分析, 了解测量误差对计算结果的影响程度，辅助分析事故再现的准确性。因此，将不确定 度分析技术应用于事故重现的基本方程中对于理解和校验其计算结果很有意义。模拟人体与车体及环境之间的相互作用体现着事故再现的水平。现有软件基本 上未能达到这样的效果，如何描述车内人与车内环境、行人与车体、车与车及路面、 护拦等接触表面间的相互作用力、变形成为再现的难点

29、和至高点。每种碰撞模型都 对碰撞过程做出了相应的各种各样的假设，只有在一定的前提下才能对事故进行计 算和分析，这就造成了事故再现方法的局限性。如果在保证模型适用的基础上，尽 量减少假设和限定条件，使其更符合客观实际情况，就能实现更为准确的事故分 析。交通事故中人体的模似：人体是交通事故的直接受害者也是汽车安全的重点保护对象，“以人为中心”已 成为汽车安全性研究和开发的基本要求。人体是极其复杂的系统，人体模型则是事 故再现的重要环节，也是仿真实现的难点所在。建立新的、适用的人体模型，在事 故再现中实现对驾驶员、乘客及被撞行人的运动模拟和分析，以此确切判断人在汽 车碰撞过程中的角色和行为，关系到事

30、故分析鉴定结果的准确程度，也将会推进事 故再现的应用水平。目前，对交通事故中人体的模拟开始受到重视并已展开研究。比如pc-crash软 件中釆用多体系统动力学理论方法建立了人体模型用于车撞行人等情形的分析将 madymo的人体模型引入pc-crash中，实现了对交通事故中乘客运动的仿真。另外, 对人体在行走、奔跑中遇到危险时的动作行为和反应变化（速度、加速度）也已有 了研究，从而探索改进行人保护措施e减少事故危害的途径。人、车、环境之间作用的描述：在汽车碰撞过程中，人体、汽车和环境三者之间在极短时间内发生了强烈的相 互作用。比如翻车事故中，汽车与地面都因此发生了大幅度变形，而现有事故再现 技术

31、还不能予以反映。为此，建立完善的力学模型，改进接触算法，确切描述碰撞阶段发生的变化，才能从不同角度了解事故过程，更加准确地进行再现。模拟人体与车体及环境之间的作用是事故再现水平的体现。现有软件基本上未 能达到这样的效果，如何描述乘员与车内环境、行人与车体、车与车及路面、护栏 等障碍物的接触变形和相互作用力，成为事故再现技术研究的至髙点。现有的每种 碰撞模型都对碰撞过程设定了相应的各种各样假设，即只有在一定的前提下才能对 事故进行计算和分析，这就造成了事故再现的局限性。如果在保证模型适用的基础 上，尽量减少假设和限定条件，使其更符合客观情况，就能实现更为准确实用的事 故分析。4 发展趋势实际上，

32、交通事故多种多样，其具体情形更是千差万别，要想重现交通事故的 难度是相当大的。随着车辆碰撞计算机仿真技术的不断发展，事故再现不仅成为可 能，而且已在汽车安全性研究中发挥作用。笔者认为今后还需围绕以下几个方面进 行深入研究，以利于促进事故再现技术的不断发展。1/车辆碰撞模型的深入研究。现在，有关正面碰撞、追尾等方面的碰撞模型 已经趋于成熟，侧面碰撞方面的研究也取得了一定的进展。对于斜碰撞、翻车和行 人事故等碰撞类型的实验研究难度较大，而且存在接触点位置的断定、动量的不守 恒性、塑性变形与速度变化的关系、理论与实践的核对等方面问题，由此使得基于碰 撞理论和实验的计算机仿真的难度相应加大，还需寻求各

33、种新的解决途径。2/对人0车0环境之间相互作用的模拟。在汽车碰撞过程中，人体、汽车和 环境三者之间在极短时间发生了强烈的相互作用，比如翻车事故中，汽车与地面都 因此发生了大幅度变形，而现有事故再现软件不能予以准确反映8 o为此，建立 完善的力学模型，改进接触算法，加入二次碰撞分析，确切描述碰撞阶段发生的变化, 以便从不同角度了解事故过程，更加准确地进行再现。然而这样的复杂功能还有待于 深入研究。3/研发用于事故再现的人体模型。人是交通事故的直接受害者也是汽车安 全的重点保护对象，“以人为中心”已成为汽车安全性研究的基本要求。针对中国 人体的特点，建立新的、适用的人体模型，在事故再现中实现对驾驶

34、员、乘客及行 人的运动模拟和分析，确切判断人在车辆碰撞过程中的角色和行为，关系到事故分 析鉴定结果的准确程度。另外，研究各种人体在行走、奔跑中遇到危险时的行为反 应和动作变化（速度、加速度），从而改进行人保护措施，减少事故的危害，也值得 进一步探索。4/建立严格的理论检验方法。道路交通事故再现的计算机分析结果尚无严格 的理论检验方法。比如事故包含的各种参数及再现分析所得到的速度结果具有较大 的不确定度，还应对其进行不确定度分析。在事故重现的求解基本方程中引入不确 定度理论，建立严格的数学理论体系和误差分析方法，从而为校验计算结果提供必 要的理论依据。5/开发实用化的专家系统。人工智能技术已成为

35、研究交通事故的重要手段, 其中的关键是建立更为实用的专家系统。结合模糊数学和神经网络等方法，开发完备 的知识库和推理机，并不断充实和更新专家经验，使其达到快速、高效、准确的分 析，体现智能化水平，真正成为事故分析专家，辅助实际交通事故的鉴定分析。6/推进事故再现技术的应用。尽管用于事故再现分析的软件系统许多年来一直不断改进模型算法，日益向实用化迈进，但大部分仍处于试验状态或仅在小范围 内使用，始终没有达到能够普及推广的程度。研制更加实用化、智能化和易于推广 的事故再现技术仍是一项艰巨的任务。此外，改善原有事故再现分析软件的人机界 面，简化操作，使其易学易用，也能满足基层事故分析人员的实际需求。

36、如今，国外流行的事故再现软件系统在国内并没有被大范围推广使用。其主要 原因在于当前的计算机软件大都采用统一模型方法以特征参数取值的不同来区分各 种碰撞形态，需要事故分析人员根据实际事故案例碰撞阶段的特点来确定这些参数 的取值。软件系统本身只提供简单的模型计算功能，而将对碰撞阶段进行分析的工 作交给事故分析人员来处理。我国的事故分析人员多为基层民警，且国内关于实车 碰撞试验的数据很少，事故分析人员在处理事故时，难以根据事故现场信息准确地 选择对计算结果影响较大的特征参数值，所以现有的计算机软件即使经过汉化也很 难在实践中得到应用。总之，结合先进的计算机仿真和人工智能技术分析交通事故，研制新的模型

37、和算 法，提高仿真运算速度，改善再现结果的可靠性，开发出实用化专家系统软件,尽可能 包含更详尽的法规和经验数据，仍是今后发展的重点。比如，采用面向对象方法构造 用于事故分析的人0车0路系统模型，综合考虑人、车、环境的耦合与相互作用，注 重专家经验与现场勘察结果的结合、交通法规与实际情况的匹配等问题，通过快速准 确的综合计算，对交通事故提供科学严谨的理论依据和确切的分析方案，给出可靠的 再现结果。车辆碰撞事故再现是汽车安全性研究的新热点。我国有关道路交通事故仿真的 研究工作已有十几年的历史，但目前国内还没有比较完善的事故再现分析软件。利 用先进的理论和方法，深入研究车辆碰撞仿真的算法和软件已成为

38、刻不容缓的问 题。若能开发出适用于我国交通事故再现分析实践的实用化计算机软件，有利于提 高交通事故处理的高效性、公正性和准确性，依法惩治交通肇事者，保护交通事故 受害者的正当权益。通过对交通事故的再现分析研究，还可探索预防和避免交通事 故的方法、寻求碰撞事故发生时人体保护和人员逃生的途径，从而最大限度地减少 人体伤害和财产损失。五、汽车一一行人撞击事故过程中的行人多刚体模型利用多刚体动力学、有限元技术或者两者的结合分析汽车行人相撞的动态响应 时,人体结构特性的数据对准确的预报人体响应是很重要的。实际人体模型的有效性 依赖于人体各部分的参数，比如：几何、质量、质心、惯性矩等，还依赖于人体关节处

39、的生物力学特性。使用机械系统动力学分析软件adams对行人与汽车碰撞过程进行 仿真分析。采用符合中国人体特征的参数，建立16刚体的行人模型，在人体的主要部 位生成简易的弹簧阻尼运动关节，模拟仿真碰撞过程。1行人多刚体模型工艺实验假人借鉴了美国hybrid iii的设计经验1 ，其尺寸和质量为中国成 年男性的90百分位平均值，包括部件运动范围、质心和质量。在碰撞仿真过程中， 采用符合中国人体特征的参数,仿真结果更能逼近真实值。根据文献2 ，选定人 体模型为：身高17111cm,体重581858kgo模型的基本参数如表1所示。表1人体模型的基本参数fffi/kg相对质心，。0）转动惯量/ kg a

40、n*3关节 长度cm1b头5.51646. 69326.6343.5191.426. 16上臂1.50151.40117.9121.815. 8231.29前臂0. 74958. 1330. 6329.587.24822.54手0.38163.211&44盆骨8.25446. 751 330.21 183. s389. 4619.68大腿8 16252. 29866.6883.6142.345.442.33159.09175.3179.119. 7032.65足0.87151.9822.88上躯干10.1353. 731 200.0695. 171 076.321.55下躯干6 96838.091 731.71 584. 2789. 6725.62该人体模型为16刚体。颈部采用球面副和移动副的组合,膝关节和踝关节采用转动副，其余各关节均采用球面副，单个人体模型的自由度为34o实体模型如图1所示，人体结构轴线如图2所示。图1人体模型实体图 图2人体结构轴线图图3运动关节的简易模型为了使行人能够行走，需要在人体的腿部、臂部和脊椎等部位生成运动关节。在 adams软件模块中，定义运动关节的简易模型为弹簧阻尼结构，见图3。图中c为阻尼 系数，k为刚度系数。生成运动关节以后，利用外部的来源可以激活或操纵模型。在本模型中使用 mocap数据驱动人体运动。常用的应用是从数