本发明涉及一种偏置碰工况下假人胸部简化模型设计方法，属于汽车碰撞安全领域。
背景技术：
人体胸部损伤在车辆交通事故中的发生非常普遍，研究表明在车辆交通事故中胸腹部损伤发生率高于45％，仅次于颅脑损伤。根据简明创伤定级标准(abbreviatedinjuryscale，ais)，胸部损伤在所有损伤中ais1～2级占12％，ais3～6级占29％，是造成死亡与伤残的主要原因之一。肋骨骨折是最常见的胸部损伤类型。人体胸部结构复杂，内部包含了心、肺、肝、脾、肾等重要内脏器官，而人体胸腔则起到保护这些重要器官的关键作用。
技术实现要素：
本发明的目的是提升汽车安全性能分析效率，解决了正碰与侧碰两种极端碰撞工况下假人胸部结构存在差异问题。提供一种偏置碰工况下假人胸部简化模型设计方法，该方法可用于任意角度碰撞下汽车安全性能研究，同时计算耗时少，分析效率高。
其技术方案为：
提出了一种偏置碰工况下假人胸部简化模型设计方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)、力学等效化处理人体胸部主要吸能结构；
根据汽车偏置碰工况，用一根位于冲击方向平面内的曲梁结构等效模拟人体肋骨结构，肋骨尺寸采用人体胸部中间肋骨尺寸。用一个等效集中质量块模拟人体胸腔内软组织集中质量，质量块位于人体胸腔几何中心处。
(2)、人体胸部非关键结构简化处理；
根据汽车碰撞过程中人体胸部结构中非关键吸能结构特点。采用等截面的矩形刚板结构简化模拟人体脊柱结构。采用医学影像处理技术，选用弹性材料简化模拟人体皮肤肌肉外轮廓结构几何结构。
(3)、建立人体胸部完整结构；
在肋骨、脊柱、集中质量块之间建立连接，肋骨结构铰接于脊柱结构，按照受力情况，在质量块与肋骨非冲击侧、质量块与及脊柱结构之间分别采用拉伸与扭转组合弹簧连接。在冲击方向上布置一根拉伸弹簧(与人体正面夹角为θ)建立肋骨与质量块的连接。
(4)、建立人体胸部有限元初始模型；
运用cae分析软件，对上述的人体胸部完整结构进行单元离化处理。赋予胸部结构材料属性，设定边界条件等。生成偏置碰工况人体胸部有限元初始模型。
(5)、胸部有限元模型优化；
(5.1)、以假人正碰与侧碰标定试验为分析工况，搭建胸部初始模型优化分析平台；
(5.2)、基于响应面法，以假人正碰与侧碰标定试验为约束条件，以曲梁、弹簧结构参数为设计变量，以假人胸部标定试验中肋骨位移、摆锤力法规指标为优化目标，建立乘员胸部偏置碰结构优化代理模型；
(5.3)、选取优化算法，求解以上多目标优化问题，生成偏置碰工况下假人胸部简化模型。
2.根据权利要求1所述的一种偏置碰工况下假人胸部简化模型设计方法，其特征在于：步骤(4)建立人体胸部有限元初始模型，赋予胸部结构材料属性包括：
(2.1)、对等效化的肋骨结构进行梁单元属性赋值；
(2.2)、对建立的胸部皮肤肌肉等软组织结构进行壳单元属性赋值；
(2.3)、对等效化的脊柱结构进行体单元属性赋值；
(2.4)、将胸腔内部组织结构质量集中于人体胸腔几何中心处，对胸腔内部集中质量块进行体单元属性赋值；
(2.5)、对肋骨截面上弹簧结构进行弹簧单元属性赋值；
3.根据权利要求1所述的一种偏置碰工况下假人胸部简化模型设计方法，其特征在于：步骤(3)所述结构中涉及的冲击方向上拉伸弹簧与人体正面夹角θ取值范围为0°～90°。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种偏置碰工况下假人胸部简化模型设计方法，其特征在于：步骤还包括：
初始化乘员胸部有限元模型，输入肋骨结构力-位移曲线和力-速度曲线，赋值给梁单元，其中力-位移曲线和力-速度曲线由碰撞模拟仿真实验或乘员胸部偏置碰实验、理论推导方式获得，从而获取肋骨加速度及胸部压缩量分布。
本发明的有益效果为：本发明基于力学等效的思想提出了一种偏置碰工况下假人胸部简化模型设计方法。基于交通事故中驾驶员胸部肋骨变形机理及变形形式，引入梁和一系列组合弹簧对胸部肋骨、皮肤、脊柱和人体内部结构进行合理等效简化，在满足胸部模型的动力学响应前提下，有效提高了计算效率，大大减少了计算时间。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为驾驶员胸部肋骨简化模型截面示意图；
图3为驾驶员胸部肋骨简化模型整体正面示意图；
图4为组合弹簧示意图
标注说明：1——脊柱，2——肋骨，3——皮肤及肌肉软组织，4——组合弹簧，5——拉簧，6——集中质量块
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
(1)、力学等效化处理人体胸部主要吸能结构；
根据汽车偏置碰工况，用一根位于冲击方向平面内的曲梁结构等效模拟人体肋骨结构，肋骨尺寸采用人体胸部中间肋骨尺寸。用一个等效集中质量块模拟人体胸腔内软组织集中质量，质量块位于人体胸腔几何中心处，具体布局如图1、图2所示。
(2)、人体胸部非关键结构简化处理；
根据汽车碰撞过程中人体胸部结构中非关键吸能结构特点。采用等截面的矩形刚板结构简化模拟人体脊柱结构，钢板尺寸为40mm*20mm*300mm。采用医学影像处理技术，选用弹性材料简化模拟人体皮肤肌肉外轮廓结构几何结构，如图1所示。
(3)、建立人体胸部完整结构；
在肋骨、脊柱、集中质量块之间建立连接，肋骨结构铰接于脊柱结构，按照受力情况，在质量块与肋骨非冲击侧、质量块与及脊柱结构之间分别采用拉伸与扭转组合弹簧连接。在冲击方向上布置一根拉伸弹簧(与人体正面夹角为θ)建立肋骨与质量块的连接。这些组合弹簧由拉压弹簧与扭转弹簧组合而成，采用二维弹簧单元模拟内部结构组织与肋骨之间的相互作用。弹簧单元两端分别与质量集中块及肋骨(梁)单元节点相连并采用共节点连接，如图2。碰撞具体工况为斜碰作用力指向质量块中心点，与人体正面夹角为θ，且角度范围15＜θ＜75(当θ＝＜15时认为发生正碰，当θ＞＝75时认为发生侧碰)。不妨以作用力指向中心点右侧为例，当作用力指向中心点左侧时则采用对称结构。
(4)、建立人体胸部有限元初始模型；
运用cae分析软件，对上述的人体胸部完整结构进行单元离化处理。赋予胸部结构材料属性，设定边界条件等。生成偏置碰工况人体胸部有限元初始模型。选择ls-dyna材料库中的119号非线性弹簧梁材料对等效化的肋骨结构模拟，同时进行梁单元属性赋值，选择ls-dyna材料库中的20号刚性材料对胸腔内部集中质量块进行模拟，并进行体单元属性赋值，选择ls-dyna材料库中的20号刚性材料对等效化的脊柱结构进行壳单元属性赋值，对建立的胸部皮肤肌肉软组织结构进行壳单元属性赋值，选择ls-dyna材料库中sdmat4非线性材料对胸腔内肋骨截面上弹簧模拟，并进行弹簧单元属性赋值，所有弹簧在同一平面上，如图3所示。
(5)、胸部有限元模型优化；
以假人正碰与侧碰标定试验为分析工况，基于响应面法，以假人正碰与侧碰标定试验为约束条件，以曲梁、弹簧结构参数为设计变量，以假人胸部标定试验中肋骨位移、摆锤力法规指标为优化目标，建立乘员胸部偏置碰优化代理模型，采用遗传算法，求解以上多目标优化问题，生成偏置碰工况下假人胸部简化模型。