汽車布置CAD設(shè)計中數(shù)字化三維人體模型的應用作者：丁祎胡平郭竹亭歡迎訪問e展廳展廳

8汽車與公路設(shè)備展廳

乘用車/客車,電動/混合動力汽車,卡車/貨車,專用車,交通安全設(shè)備,...摘要：汽車內(nèi)部布置設(shè)計是汽車設(shè)計中以人為中心的復雜且重要的設(shè)計過程．本文論述了數(shù)字化三維人體模型技術(shù)，及其在虛擬的汽車內(nèi)部人機工程學布置設(shè)計中所發(fā)揮的重要作用．列出了與汽車內(nèi)部布置的相關(guān)的SAE標準。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化三維人體模型人機工程學分析汽車內(nèi)部布置虛擬設(shè)計技術(shù)

1前言

汽車是非常復雜的產(chǎn)品并需滿足各方面的性能要求，其設(shè)計開發(fā)過程也由許多不同的工作階段組成，而各工作階段又需要使用多種不同的設(shè)計驗證技術(shù)。只有采用新技術(shù)將整個產(chǎn)品的開發(fā)過程及其不同的工作方式進行全面的集成才能達到加速和優(yōu)化設(shè)計的目的。

數(shù)字化虛擬技術(shù)就是通過集成各種計算機技術(shù)，并充分發(fā)揮其應用潛能，使產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計能夠可靠地在計算機系統(tǒng)內(nèi)，以數(shù)字化模型方式完成產(chǎn)品的設(shè)計和驗證。在汽車開發(fā)中，虛擬技術(shù)有助于決策層及早對設(shè)計方案進行決策和進行跟蹤管理；有助于加強異地的合作，共同解決技術(shù)難題；有助于在制造樣車前進行反復驗證和校核，從而及早發(fā)現(xiàn)和避免設(shè)計錯誤；有助于在產(chǎn)品投產(chǎn)前及早獲取產(chǎn)品信息以進行市場調(diào)查。貫穿于產(chǎn)品開發(fā)全過程的數(shù)字化虛擬技術(shù)可使產(chǎn)品特性得到全面系統(tǒng)的優(yōu)化，使開發(fā)周期大大縮短，開發(fā)費用大大減少，提高產(chǎn)品質(zhì)量，最終提高企業(yè)在市場的競爭力。

2汽車內(nèi)部布置設(shè)計

汽車內(nèi)部布置是一個從構(gòu)思、設(shè)計到驗證的復雜的系統(tǒng)工程．布置時要考慮眾多的約束關(guān)系和人機工程的要求。汽車內(nèi)部布置是“以人為中心”的設(shè)計，即以人為中心，在滿足一定的約束條件下，運用人機工程學達到人－車－環(huán)境和諧的設(shè)計理念。汽車內(nèi)部布置設(shè)計是同時進行多方面布置的設(shè)計過程，也是不斷反復遞進尋求最優(yōu)化方案的設(shè)計過程。

汽車內(nèi)部布置主要任務是：①車型主要布置尺寸確定：乘員布置；整車主要尺寸確定；踏板，換檔桿及手剎位置布置；轉(zhuǎn)向盤及轉(zhuǎn)向管柱布置；行李箱布置；側(cè)車窗玻璃；頂蓋位置；座椅及儀表板布置等。②人機工程學研究：確保駕駛員及乘員的居住舒適性，安全性，以及駕駛員的操縱方便性和具有良好的視野等。③法規(guī)符合性校核：風窗面積及雨刷布置；手伸及界面；儀表板可視范圍；內(nèi)外后視鏡視野；安全帶固定點等。在滿足這些要求的同時，還要盡量減小整車質(zhì)量，增大車室內(nèi)空間，提高整車的經(jīng)濟性能。在傳統(tǒng)的設(shè)計中，工程師使用二維人體模板在二維主圖版上進行汽車內(nèi)部布置設(shè)計，無法事先對踏板、換檔桿、轉(zhuǎn)向盤的操縱性和坐姿及視野性等性能進行空間位置的評估和驗證，只有在制作了物理樣車后由一定比例的人進行實際的駕駛操作才可完成驗證．

如今，由于計算機技術(shù)的發(fā)展和應用，在汽車開發(fā)中已廣泛采用CAD方法進行三維數(shù)字化設(shè)計，以三維數(shù)據(jù)為主線，使用虛擬樣車來優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計和驗證過程。因而，數(shù)字化三維人體模型相應地在汽車內(nèi)部布置的人體工程學模擬和分析中發(fā)揮其潛能和優(yōu)勢。

3數(shù)字化三維人體模型

在產(chǎn)品周期的各個階段，人都是最重要的因素。數(shù)字化三維人體模型可有效地應用在汽車虛擬設(shè)計及制造的整個生命周期，從初始的概念方案設(shè)計至最后的產(chǎn)品驗證。

數(shù)字化人體模型技術(shù)可輔助設(shè)計者確定人在相應的工作環(huán)境下的性能，確定人體尺寸／形態(tài)／功能及其定位，滿足舒適性和安全性標準的要求。如圖1所示，在虛擬的CAD設(shè)計數(shù)據(jù)中，可調(diào)入此虛擬的人體模型，完成操作任務和分析工作。通過三維人體模型可運用數(shù)字人體和電子樣車進行與人相關(guān)要素的模擬分析校核，如人的可操作性，舒適性，可視性等重要設(shè)計要素。在汽車內(nèi)部布置過程中應用數(shù)字化三維人體模型可提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量；改善安全性及人機工程學性能；減少物理樣車的制造及驗證工作和周期。

圖1數(shù)字化三維人體模型應用在CAD設(shè)計中波音公司、通用公司、戴姆勒－克萊斯勒公司等這些大的飛機和汽車公司已將數(shù)字化三維人體模型越來越廣泛的應用于產(chǎn)品生命周期的各個方面和各個階段．CATIA，EDS等大的軟件公司，也相繼推出數(shù)字化三維人體模塊供用戶使用并不斷補充及完善。

現(xiàn)以CATIA的人體模型模塊（Manikin）為例簡要說明數(shù)字化三維人體模型的主要功能。該三維人體模型包括4個子模塊：構(gòu)造人體（HumanBuilder）模塊，生成可與產(chǎn)品相配合的人體模型；編輯人體尺寸(HumanMeasurementEdit)模塊，可對人體模型的各部分的尺寸進行有比例地調(diào)整；人體動作分析（HumanActivityAnalysis）模塊，對人肢體進行由靜態(tài)姿勢到復雜的動態(tài)動作的評價；人體姿態(tài)分析(HumanPostureAnalysis)模塊，進行人體各種姿態(tài)的分析。此人體模型包括有104組人體測量數(shù)據(jù)；100個無約束的連接；148個自由度；各種姿勢輪廓；包含所有關(guān)節(jié)的手模型、脊椎模型、肩模型、臀部模型等模型；可表現(xiàn)關(guān)節(jié)活動的制約及動作運動的上下極限并可進行調(diào)節(jié)。此模塊具有如下幾方面用途：測量人體尺寸；視野分析；坐姿分析；運動舒適角度分析；伸及范圍分析；舉升、放下和搬運分析；設(shè)計干涉檢查；運動模擬等。

4按SAE標準進行汽車內(nèi)部布置時涉及到的人體工程學內(nèi)容

在進行汽車內(nèi)部布置時，SAE中有如下用于駕駛員和乘員的人體工程學研究和設(shè)計的相關(guān)標準。

5應用數(shù)字化三維人體模型進行汽車內(nèi)部布置及設(shè)計校核

數(shù)字化三維人體模型在汽車內(nèi)部布置設(shè)計及校核中承擔著人機工程學的布置設(shè)計及校核驗證的重要角色。圖2所示為數(shù)字化三維人體模型在一汽車內(nèi)部布置中的應用實例。它協(xié)助汽車設(shè)計工程師進行一系列乘員內(nèi)部居住性的布置優(yōu)化工作，主要包括：協(xié)助確定汽車主要控制尺寸；確定不同人體尺寸的駕駛員及乘員的乘坐位置和駕駛姿態(tài)；對人體乘坐姿態(tài)及其舒適性進行分析和評估；確定踏板、轉(zhuǎn)向盤、操縱桿、儀表及控制按紐等零件的布置位置，并進行操作合理性評價；模擬乘員上下車姿態(tài)以評估上下車方便性；駕駛員及乘員的座椅位置確定及安全帶的固定位置的確定；模擬座椅的滑動、及桿件操縱的運動過程并進行評價；校核駕駛員駕駛過程中的直接視野和通過內(nèi)外后視鏡的間接視野的法規(guī)符合性；協(xié)助進行儀表板布置和儀表板盲區(qū)的校核；確定合理的車內(nèi)寬度和頭頂空間；分析人體重量在座椅上的力的分布；對手及腳對操縱部件操作時所施加的力進行評估；同時檢查設(shè)計間隙及干涉分析，最終記錄數(shù)據(jù)并輸出優(yōu)化的布置結(jié)果。

圖2數(shù)字化三維人體模型在汽車內(nèi)部布置中的應用6結(jié)論與展望

數(shù)字化三維人體模型為汽車內(nèi)部布置的虛擬設(shè)計提供了一個