Simcenter Madymo之THOR假人定位

2020-09-05 23:58:39·  来源:数字化工业软件技术期刊  作者:朱航彬  
 
01 THOR假人简介Simceneter Madymo 2020.1版本中的THOR假人模型已经更新至V3.1版本,包含EuroNCAP THOR和NHTSA THOR两种模型。对于每种THOR模型,又分别开发了椭
01  THOR假人简介

Simceneter Madymo 2020.1版本中的THOR假人模型已经更新至V3.1版本,包含EuronCAP THOR和NHTSA THOR两种模型。对于每种THOR模型,又分别开发了椭球型和Facet型假人模型,适用于不同的应用开发阶段。
 
在THOR的仿真应用中,大家或许碰到过一些假人定位的困扰,下面就来详细介绍剖析一下Simcenter Madymo的THOR假人定位问题。下面所述内容,对椭球型或Facet型假人模型都有效。

02  物理THOR与Madymo THOR的定位关系

2.1  假人H点

Madymo THOR假人的H点,与物理THOR假人的H点是完全重合的,其定位只需将试验测量结果直接输入到假人H点定位铰Dummy_jnt的各个自由度上即可。

2.2  假人姿态POSTURE

物理THOR假人设计有4个档位,代表假人不同的坐姿。可以通过姿态调节装置进行调整。其4个档位ERECT、NEUTRAL、SLOUCHED、SUPER SLOUCHED分别对应角度为-9°、0°、9°、12°。在NCAP试验中,POSTURE要求调整在SLOUCHED档位,即POSTURE角度为9°。
 
 
而在Madymo THOR假人的模型中,定义了用于调整假人姿态的DEFINE参数SpineLowPitchAngle。根据试验摆放的姿态,输入对应的数值即可。

 
2.3  假人髋部及上半身定位

确定假人髋部及上半身位置的有4个倾角传感器:髋部传感器、腰椎T12传感器、胸椎T6传感器、颈部传感器。这些倾角传感器,可以直接读取各个部位的摆放角度。

这些倾角传感器在Madymo THOR假人上分别对应的位置,为下图绿色标记点的位置。倾角传感器安装在一个固定的平台上,是代表该处与水平方向的夹角。测量得到的角度,与Madymo THOR假人的姿态定位角或物理假人的机构转动角之间存在一定的关系。我们分别从假人物理设计方面,以及Madymo THOR假人建模方面来了解他们的关系。
 
髋部角

假人髋部的俯仰转动角度,定义为髋部角。用参数PelvisPitchAgnle表示。

物理THOR假人,髋部倾角传感器被安装在物理假人的髋部基准模块(Pelvis base Module)上。而髋部基准模块的传感器安装平台,与绝对水平面存在7°的夹角。即假人竖直坐姿放置时,髋部倾角传感器的读数应为7°。髋部基准模型示意图如下。

 
试验中髋部倾角传感器的读数用参数PelvisTiltSensorY表示。如,髋部倾角传感器的读数值为33°,则有

 
将髋部倾角传感器的读数直接定义为髋部角,则有PelvisPitchAngle=PelvcTiltSensorY,即:

 
对于Madymo THOR假人模型,髋部角通过Dummy_jnt的Y向转动来定位。而假人的Dummy_jnt初始方向与水平方向一致,即Y向初始角度与THOR髋部倾角传感器存在7°夹角。因此对于Madymo THOR假人的Dummy_jnt Y向转动角度可以利用下面关系确定。

 
腰椎弯曲角

腰椎倾角传感器与髋部倾角传感器之间的夹角,我们定义为腰椎弯曲角,用参数LumbarBendingAngle表示。

当腰椎T12笔直的时候,腰椎倾角传感器与髋部倾角传感器存在2.4°的夹角。如下示意图。

 
因此腰椎的弯曲角度LumbarBendingAngle,存在以下关系式,其中LumbarTiltSensorY为腰椎T12倾角传感器读数:

 
前面介绍假人姿态POSTURE,我们定义参数SpineLowPitchAngle来表示POSTURE姿态角度。而这个角度,代表的是腰椎T12倾角传感器LumbarTiltSensorY与胸椎T6倾角传感器ThoracicTiltSensorY之间的夹角。即有关系#LumbarTiltSensorY = #ThoracicTiltSensorY + #SpineLowPitchAngle。

因此,可以用胸椎倾角传感器ThoracicTiltSensorY来表示腰椎弯曲角LumbarBendingAngle:

 
在Madymo THOR假人的模型中,腰椎的弯曲方向通过两个铰LumbarSpineUp_jnt和LumbarSpineLow_jnt的Y向转动来实现。将腰椎弯曲角度LumbarBendingAngle平分到两个铰中,即可实现Madymo THOR假人的腰椎定位。如下表示:

 
 
胸椎弯曲角

颈部倾角传感器与胸椎倾角传感器之间的夹角,我们定义为胸椎弯曲角,用参数ThoracicBendingAngle表示。

颈部倾角传感器安装在颈部俯仰改变装置(Neck Pitch Change Mechanism)的上平台。颈部俯仰改变装置产生的夹角,我们定义为颈部俯仰角,用参数NeckPitchAngle表示。根据颈部俯仰改变装置的设计标准,每调节一个齿,角度将改变3°。

 
当颈部俯仰改变装置保持中性状态时,颈部俯仰角NeckPitchAngle为零。

 
根据THOR的设计标准,当颈部俯仰改变装置保持中性状态时,颈部倾角传感器NeckTiltSensorY与胸椎倾角传感器ThoracicTiltSensorY的夹角为17°。

因此胸椎弯曲角度ThoracicBendingAngle与颈部俯仰角NeckPitchAngle,颈部倾角传感器NeckTiltSensorY及胸椎倾角传感器ThoracicTiltSensorY之间存在以下关系式:

 
在Madymo THOR假人模型中,胸椎弯曲角的改变通过自由铰ThoracicSpineFlex_jnt的Y向转动来实现,因此改变ThoracicSpineFlex_jnt的Y向角度如下。

 
2.4  假人头颈部定位

假人的颈部弯曲角,用参数NeckBendingAngle来表示,将决定着头部的转角及重心位置。通过颈部倾角传感器NeckTiltSensorY,以及头部倾角传感器HeadTiltSensorY(如下定义)可以确定颈部弯曲角度。

 
根据THOR假人的设计标准,当颈部垂直状态时,头部倾角传感器与颈部倾角传感器之间没有角度偏移,即夹角为0°。因此颈部弯曲角NeckBendingAngle可以表示为:

 
在Madymo THOR假人模型中,颈部模型由6个铰组成,这些铰的转动,共同形成假人颈部弯曲角。而为了避免THOR假人模型的颈部初始力矩过大,将颈部弯曲角合理分配到每个铰的转动自由度上。参考定义如下:

 
2.5  假人四肢定位

Madymo THOR假人的四肢定位,完全根据物理假人的定位值,调节各个关节对应的铰自由度即可。跟混III假人以及其他所有假人的定位方式相同,简单易理解,这里不再赘述。

03  总结

在物理试验中,我们会记录5个倾角传感器的读数(实际上只需要4个倾角传感器),以及假人H点和其他定位标志点的测量值。根据上面的详细介绍,尤其是髋部、假人上半身及头颈部的定位,在模型中按照对应的倾角传感器名称,直接输入对应的试验数据即可完成Madymo THOR假人模型的定位。
 
 
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