反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构与设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构，其由肌肉固定模块与肌肉模块组成，其中，肌肉固定模块由上颈环、下颈环及肩环组成，上颈环与基础假人上颈部连接，下颈环与基础假人下颈部连接，肩环与基础假人肩部连接；肌肉模块由不同弹性系数的弹簧组成，包括两根胸锁乳突肌弹簧、两根头夹肌弹簧、两根斜方肌弹簧，胸锁乳突肌弹簧两端分别连接上颈环和下颈环，头夹肌弹簧两端分别连接上颈环和下颈环，斜方肌弹簧两端分别连接肩环和下颈环。本发明用于碰撞假人的颈部，有效的实现颈部肌肉对头部颈部的作用，具有更高的生物仿真度。本发明同时公开了一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构的设计方法。
【专利说明】反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构与设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构与设计方法，属于汽车碰撞安全领域。
【背景技术】
[0002]伴随着汽车工业的高速发展，汽车安全性在评价汽车的性能方面日趋重要，尤其是车辆乘员碰撞安全保护技术，更是成为国内外汽车市场的产品核心竞争技术和研究的重点。然而，现有汽车对乘员保护性能仍有不足，如无法描述真实人类在交通事故中骨折、肌肉损伤、颅脑伤害等。且由于无法重现真实人体在碰撞过程中受肌肉而影响的运动特性，经常会出现在现有碰撞规程下碰撞安全性能较高的汽车在真实交通事故中不能很好地保护驾驶员的情况。这与车辆乘员碰撞安全性能设计使用的假人无法真实反映人体的力学特性造成的。
[0003]目前，国际上已经意识到在碰撞过程中肌肉的力学特性随乘员运动与损伤的影响，并建立了多种具有肌肉的数字化假人模型，由于使用的表征肌肉的材料属性不同，这些数字化假人模型在碰撞仿真分析中的效果不尽相同，并没有形成一个统一的标准。尽管这些数字化假人模型的结构与真实人体结构十分相似，但并不能很好地重现真实人体的碰撞过程中的运动特性，因而依然处于探索阶段。
[0004]自上世纪八十年代以来，国际汽车工程领域大多采用假人(如采用金属和塑料等材料的Hybrid III型假人)进行交通事故的台车或实车碰撞实验，并通过测试在假人各位置的加速度或位移或受力来评价汽车乘员损伤程度。这种假人多是从生物医学角度建立的静态人体模型，缺乏在碰撞过程中对肌肉的力学特性的表达。尤其是对损伤影响较大的头部与颈部运动，受颈部肌肉的影响较大，但在现有假人中，无法重现这一力学特性。同时，为了制造与安装的便利，现有假人颈部结构与真实人体有较大的差异:真实人体颈部是有多个颈椎组合而成，可以进行灵活的运动，而假人颈部则是由铝盘与橡胶圆盘交替搭接所形成柱体结构，使得假人的颈部运动受到一定的限制。这种结构简化形成的差异使得现有基于假人的设计无法准确描述真实人体在实际交通事故中的运动和损伤。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术存在的以上问题，本发明提供一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构与设计方法，在现有假人基础上，结合医学、生物力学与工程需求，从车辆乘员安全保护的角度出发，充分考虑碰撞过程中颈部力学特性对颈部运动的影响，设计具有肌肉力学特性的肌肉型弹簧，并设计相对应的肌肉固定结构，提高假人模型的生物仿真性，进而提高汽车的碰撞安全性能。
[0006]本发明的主要目的可通过如下技术方案实现:
[0007]提供一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构，其由肌肉固定模块与肌肉模块组成，其中，肌肉固定模块由上颈环、下颈环及肩环组成，上颈环与基础假人上颈部连接，下颈环与基础假人下颈部连接，肩环与基础假人肩部连接；肌肉模块由不同弹性系数的弹簧组成，包括两根胸锁乳突肌弹簧、两根头夹肌弹簧、两根斜方肌弹簧，胸锁乳突肌弹簧两端分别连接上颈环和下颈环，头夹肌弹簧两端分别连接上颈环和下颈环，斜方肌弹簧两端分别连接肩环和下颈环。
[0008]作为本发明提供的一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构的改进方案，所述上颈环具体包括左侧上颈环2a与右侧上颈环2b，左侧上颈环2a为半圆环，半圆环外侧设置两根外伸梁，两根外伸梁的端部均设有通孔，两根外伸梁的通孔分别用于连接头夹肌弹簧和胸锁乳突肌弹簧；左侧上颈环2a与右侧上颈环2b为镜像对称结构，左侧上颈环2a与右侧上颈环2b圆弧相对固定连接。
[0009]作为本发明提供的一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构的改进方案，所述下颈环具体包括前向下颈环8与后向下颈环6，前向下颈环8与后向下颈环6均为半圆环，前向下颈环8外侧设置两根外伸梁，两根外伸梁的端部均设有通孔，每个通孔用于连接一根胸锁乳突肌弹簧，后向下颈环6外侧设置四根外伸梁，四根外伸梁的端部均设有通孔，四个通孔分别用于连接两根斜方肌弹簧及两根头夹肌弹簧；前向下颈环8与后向下颈环6为镜像对称结构，前向下颈环8与后向下颈环6圆弧相对固定连接。
[0010]作为本发明提供的一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构的改进方案，所述肩环具体包括左肩环5a与右肩环5b，左肩环5a与右肩环5b均为直角梁且左肩环5a与右肩环5b对称安装在假人肩部两侧；所述左肩环5a与右肩环5b的上梁的端部均设有通孔，每个通孔用于连接一根斜方肌弹簧；左肩环5a与右肩环5b的下梁均与基础假人肩部连接。
[0011]作为本发明提供的一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构的改进方案，所述上颈环圆弧内侧均设有安装槽，安装槽与基础假人上颈部凸台过盈配合；所述下颈环圆弧内侧设有安装槽，安装槽与基础假人下颈部凸台过盈配合；上颈环圆弧内侧的安装槽的宽度大于下颈环圆弧内侧的安装槽的宽度。
[0012]作为本发明提供的一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构的改进方案，所述胸锁乳突肌弹簧、头夹肌弹簧、斜方肌弹簧均为拉伸型弹簧；胸锁乳突肌弹簧具体包括对称安装的左侧胸锁乳突肌弹簧7a与右侧胸锁乳突肌弹簧7b，左侧胸锁乳突肌弹簧7a和右侧胸锁乳突肌弹簧7b两端均分别连接上颈环和下颈环；头夹肌具体包括对称安装的左侧头夹肌弹簧3a与右侧头夹肌弹簧3b，左侧头夹肌弹簧3a和右侧头夹肌弹簧3b两端均分别连接上颈环和下颈环；斜方肌弹簧具体包括对称安装的左侧斜方肌弹簧4a与右侧斜方肌弹簧4b，左侧斜方肌弹簧4a和右侧斜方肌弹簧4b两端均分别连接下颈环和肩环。
[0013]本发明同时提供一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构的设计方法，碰撞假人颈部结构由肌肉固定模块与肌肉模块组成，肌肉固定模块由上颈环、下颈环及肩环组成，上颈环上对称设有两跟外伸梁且外伸梁端部设有通孔，下颈环上两两对称设有四根外伸梁且外伸梁端部设有通孔；肌肉模块由不同弹性系数的弹簧组成，分别为表征胸锁乳突肌的弹簧、表征头夹肌的弹簧、表征斜方肌的弹簧；该设计方法包括以下步骤:
[0014]步骤一、获取基本参数:
[0015]查询人体数据库，获得人体颈部胸锁乳突肌、头夹肌、斜方肌的起止点位置与生理横截面积，进而确定肌肉起止点位置间的肌肉有效长度；再通过大鼠腓肠肌拉伸实验，测量大鼠腓肠肌的有效长度、生理横截面积与弹性系数；
[0016]步骤二、确定肌肉固定模块主体结构:根据基础假人上颈部铝盘、下颈部铝盘、橡胶圆盘的尺寸，确定上颈环、下颈环的尺寸，保证上颈环与基础假人上颈部连接，下颈环与基础假人下颈部连接；根据斜方肌的止点位置与假人肩部螺栓孔的相对位置，确定肩环结构，使肩环与基础假人肩部连接；
[0017]步骤三、确定肌肉模块弹性系数:基于大鼠腓肠肌与人体肌肉的生理横截面积不同、有效长度不同，对大鼠腓肠肌的弹性系数进行缩放，分别确定肌肉模块中胸锁乳突肌、头夹肌、斜方肌的弹性系数；
[0018]步骤四、确定肌肉固定模块外伸梁通孔位置:在保证肌肉的弹性系数的不变的前提下，对除斜方肌止点外的肌肉起止点进行平移；最后，上颈环的外伸梁通孔位置由平移后的胸锁乳突肌的止点、头夹肌的止点位置确定，下颈环的外伸梁通孔位置由平移后的胸锁乳突肌的起点、头夹肌的起点、斜方肌的起点位置确定，肩环上梁的通孔位置由斜方肌止点位置确定；
[0019]步骤五、确定肌肉固定模块外伸梁结构:根据步骤四中得到的肌肉起止点位置，基于上颈环、下颈环的外表面，确定外伸梁的外伸距离；根据斜方肌止点位置，确定肩环上梁的外伸距离；在外伸梁的端部钻通孔。
[0020]作为本发明提供的一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构的设计方法的进一步改进方案，步骤一获取基本参数中，根据下式确定肌肉起止点位置间的肌肉有效长度:
[0021 ]
【权利要求】
1.一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构，其特征在于，其由肌肉固定模块与肌肉模块组成，其中，肌肉固定模块由上颈环、下颈环及肩环组成，上颈环与基础假人上颈部连接，下颈环与基础假人下颈部连接，肩环与基础假人肩部连接；肌肉模块由不同弹性系数的弹簧组成，包括两根胸锁乳突肌弹簧、两根头夹肌弹簧、两根斜方肌弹簧，胸锁乳突肌弹簧两端分别连接上颈环和下颈环，头夹肌弹簧两端分别连接上颈环和下颈环，斜方肌弹簧两端分别连接肩环和下颈环。
2.按照权利要求1所述的一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构，其特征在于，所述上颈环具体包括左侧上颈环(2a)与右侧上颈环(2b)，左侧上颈环(2a)为半圆环，半圆环外侧设置两根外伸梁，两根外伸梁的端部均设有通孔，两根外伸梁的通孔分别用于连接头夹肌弹簧和胸锁乳突肌弹簧；左侧上颈环(2a)与右侧上颈环(2b)为镜像对称结构，左侧上颈环(2a)与右侧上颈环(2b)圆弧相对固定连接。
3.按照权利要求1所述的一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构，其特征在于，所述下颈环具体包括前向下颈环(8)与后向下颈环(6)，前向下颈环(8)与后向下颈环(6)均为半圆环，前向下颈环(8)外侧设置两根外伸梁，两根外伸梁的端部均设有通孔，每个通孔用于连接一根胸锁乳突肌弹簧，后向下颈环(6)外侧设置四根外伸梁，四根外伸梁的端部均设有通孔，四个通孔分别用于连接两根斜方肌弹簧及两根头夹肌弹簧；前向下颈环(8)与后向下颈环(6)为镜像对称结构，前向下颈环(8)与后向下颈环(6)圆弧相对固定连接。
4.按照权利要求1所述的一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构，其特征在于，所述肩环具体包括左肩环(5a)与右肩环(5b)，左肩环(5a)与右肩环(5b)均为直角梁且左肩环(5a)与右肩环(5b)对称安装在假人肩部两侧；所述左肩环(5a)与右肩环(5b)的上梁的端部均设有通孔，每个通孔用于连接一根斜方肌弹簧；左肩环(5a)与右肩环(5b)的下梁均与基础假人肩部连接。
5.按照权利要求1所述的一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构，其特征在于，所述上颈环圆弧内侧均设有安装槽，安装槽与基础假人上颈部凸台过盈配合；所述下颈环圆弧内侧设有安装槽，安装槽与基础假人下颈部凸台过盈配合；上颈环圆弧内侧的安装槽的宽度大于下颈环圆弧内侧的安装槽的宽度。
6.按照权利要求1所述的一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构，其特征在于，所述胸锁乳突肌弹簧、头夹肌弹簧、斜方肌弹簧均为拉伸型弹簧；胸锁乳突肌弹簧具体包括对称安装的左侧胸锁乳突肌弹簧(7a)与右侧胸锁乳突肌弹簧(7b)，左侧胸锁乳突肌弹簧(7a)和右侧胸锁乳突肌弹簧(7b)两端均分别连接上颈环和下颈环；头夹肌具体包括对称安装的左侧头夹肌弹簧(3a)与右侧头夹肌弹簧(3b)，左侧头夹肌弹簧(3a)和右侧头夹肌弹簧(3b)两端均分别连接上颈环和下颈环；斜方肌弹簧具体包括对称安装的左侧斜方肌弹簧(4a)与右侧斜方肌弹簧(4b)，左侧斜方肌弹簧(4a)和右侧斜方肌弹簧(4b)两端均分别连接下颈环和肩环。
7.一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构的设计方法，其特征在于，碰撞假人颈部结构由肌肉固定模块与肌肉模块组成，肌肉固定模块由上颈环、下颈环及肩环组成，上颈环上对称设有两跟外伸梁且外伸梁端部设有通孔，下颈环上两两对称设有四根外伸梁且外伸梁端部设有通孔；肌肉模块由不同弹性系数的弹簧组成，分别为表征胸锁乳突肌的弹簧、表征头夹肌的弹簧、表征斜方肌的弹簧；该设计方法包括以下步骤: 步骤一、获取基本参数: 查询人体数据库，获得人体颈部胸锁乳突肌、头夹肌、斜方肌的起止点位置与生理横截面积，进而确定肌肉起止点位置间的肌肉有效长度；再通过大鼠腓肠肌拉伸实验，测量大鼠腓肠肌的有效长度、生理横截面积与弹性系数； 步骤二、确定肌肉固定模块主体结构:根据基础假人上颈部铝盘、下颈部铝盘、橡胶圆盘的尺寸，确定上颈环、下颈环的尺寸，保证上颈环与基础假人上颈部连接，下颈环与基础假人下颈部连接；根据斜方肌的止点位置与假人肩部螺栓孔的相对位置，确定肩环结构，使肩环与基础假人肩部连接； 步骤三、确定肌肉模块弹性系数:基于大鼠腓肠肌与人体肌肉的生理横截面积不同、有效长度不同，对大鼠腓肠肌的弹性系数进行缩放，分别确定肌肉模块中胸锁乳突肌、头夹肌、斜方肌的弹性系数； 步骤四、确定肌肉固定模块外伸梁通孔位置:在保证肌肉的弹性系数的不变的前提下，对除斜方肌止点外的肌肉起止点进行平移；最后，上颈环的外伸梁通孔位置由平移后的胸锁乳突肌的止点、头夹肌的止点位置确定，下颈环的外伸梁通孔位置由平移后的胸锁乳突肌的起点、头夹肌的起点、斜方肌的起点位置确定，肩环上梁的通孔位置由斜方肌止点位置确定； 步骤五、确定肌肉固定模块外伸梁结构:根据步骤四中得到的肌肉起止点位置，基于上颈环、下颈环的外表面，确定外伸梁的外伸距离；根据斜方肌止点位置，确定肩环上梁的外伸距离；在外伸梁的端部钻通孔。
8.按照权利要求7所述的一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构的设计方法，其特征在于，所述步骤一获取基本参数中，根据下式确定肌肉起止点位置间的肌肉有效长度:
9.按照权利要求7所述的一种反映人体颈部力学特性的碰撞假人颈部结构的设计方法，其特征在于，所述步骤三确定肌肉模块弹性系数中，根据下式分别确定肌肉模块中胸锁乳突肌、头夹肌、斜方肌的弹性系数。
【文档编号】G01M7/08GK103926046SQ201410168712
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月23日 优先权日:2014年4月23日
【发明者】高镇海, 李楚照, 赵会, 赵凯姝, 刘鹏, 宫赫, 李钊, 高菲, 宋学伟, 张君媛 申请人:吉林大学