來源：BETA CAE Systems

中國體征人體數(shù)字模型（AC-HUMs）是中國汽研主持研發(fā)的人體有限元模型。BETA CAE Systems與中國汽研保持緊密合作，前、后處理軟件（ANSA/META）會全面支持AC-HUMs系列模型。在軟件中提供對應(yīng)工具用于人體模型的姿態(tài)變換，體征縮放，結(jié)果響應(yīng)提取等。

本文將以AC-HUMs AM50乘員模型為例子，介紹使用ANSA的人體模型姿態(tài)調(diào)整工具（HBM Articulation Tool）進行定位的過程。

首先，在使用工具前需要準(zhǔn)備好對應(yīng)的metadata文件，該文件用于生成人體關(guān)節(jié)的運動機構(gòu)，大家可以發(fā)郵件到 betacn.support@cadence.com獲取該文件。關(guān)于metadata文件以及人體模型姿態(tài)調(diào)整工具可以查看以往的文章查詢更多細節(jié)，在本文中只提供必要的步驟描述。

步驟 1

將模型導(dǎo)入ANSA之后，打開Safety>Human Body Model>Articulation工具，并從Biofidelic Moves下面的Metadata選項卡中，打開讀取對應(yīng)的metadata文件。

圖1 讀取metadata文件

步驟 2

在工具中去到Translate界面，此時會自動激活選擇模式，選擇座椅參考點。選擇完畢后點擊對號，人體模型會自動將H點匹配到座椅參考點上。若人體模型的朝向不一致，可以去到Rotate界面，選擇torso_tree將模型整體圍繞H點進行旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整成正確朝向。

圖2 Translate界面

圖3 H點匹配以及朝向轉(zhuǎn)換完畢

步驟 3

接下來需要先定義上軀干角，去到Rotate界面中，通過torso_tree關(guān)節(jié)里面的R軸來定義前傾/后傾角度。輸入負值為前傾，正值則為后仰。示例中我們輸入-13，進行前傾13°。S跟T軸分別控制人體左右傾斜以及轉(zhuǎn)身動作，按實際情況調(diào)整即可。

圖4 圍繞H點旋轉(zhuǎn)

步驟4

去到Biofidelic Moves界面中進行脊柱角度的調(diào)整。去到pelvic_lumbar_spine，輸入10，此時會通過頸椎上仰10°帶動腰椎進行隨動調(diào)整，使整個脊柱曲線改變。

圖5 脊柱調(diào)節(jié)示意圖1

圖6 脊柱調(diào)節(jié)示意圖2

步驟 5

通過cervical_spine只調(diào)整頸部角度，輸入負值為前傾，正值則為后仰。在本示例中輸入-1，只做略微調(diào)整。

圖7 頸部調(diào)節(jié)

步驟 6

接下來去定義手部，涉及到的關(guān)節(jié)有肩部，肘部，手腕以及手指，需要進行觀察并多次嘗試角度以得到最佳結(jié)果。

先在Biofidelic Moves界面中，使用shoulder以及forearm關(guān)節(jié)進行大致位置的調(diào)整。如右手部位所示，將肩部調(diào)整10°以及肘部調(diào)整20°。

圖8 肩部調(diào)節(jié)

圖9 肘部調(diào)節(jié)

步驟 7

去到Rotate界面，找到glenohumeral_joint關(guān)節(jié)，逐級進行微調(diào)，在選擇某個關(guān)節(jié)后，模型會高亮運動部位和目前選定的旋轉(zhuǎn)軸，直接點擊鼠標(biāo)左邊拖動即可實現(xiàn)交互式調(diào)整，這個方式能夠非常高效的實時看到旋轉(zhuǎn)后的位置。值得注意的是，該工具支持手指各個關(guān)節(jié)的調(diào)整，最終能夠?qū)崿F(xiàn)非常高生物逼真度的手部位置定位，能夠非常好的模擬握住方向盤的姿勢。

重復(fù)步驟6、步驟7，即可完成兩個手部的定位。

圖10 手腕調(diào)節(jié)

圖11 上軀干最終姿態(tài)

步驟 8

接下來進行下半身的定位，首先在Rotate界面中使用acetabulofemoral_joint_tree關(guān)節(jié)進行大腿的調(diào)整。同樣建議使用交互式操作定義角度，能夠?qū)崟r看到大腿腿骨旋轉(zhuǎn)的位置，更好的把握調(diào)整的姿態(tài)。另外，可以激活Both Legs選項，能夠?qū)ψ笥掖笸冗M行同等角度變化的旋轉(zhuǎn)。

圖12 大腿調(diào)節(jié)示意圖1

圖13 大腿調(diào)節(jié)示意圖2

圖14 大腿調(diào)節(jié)示意圖3

步驟 9

首先是膝部定位，在定位完畢大腿位置之后，可以去到Biofidelic Moves中找對對應(yīng)的Knee關(guān)節(jié)通過輸入角度進行調(diào)整。在本示例中需要伸展膝蓋以實現(xiàn)腳部放置在油門踏板的需求，所以輸入了8°進行抬起。

圖15 膝部調(diào)節(jié)

步驟 10

調(diào)整完膝部角度后，去到Rotate界面進行腳踝定位。找到acetabulofemoral_joint關(guān)節(jié)下面的talocrural_joint關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)用于調(diào)整腳踝定位。通過三個不同的旋轉(zhuǎn)軸運動能夠很好的模型真實腳踝的運動情況。在本示例中對右腳踝的R軸輸入-10°進行抬起，模擬右腳放置在油門踏板的操作。

重復(fù)步驟9、步驟10，即可完成左右腿部定位。

圖16 腳踝調(diào)節(jié)

通過人體模型姿態(tài)調(diào)整工具實現(xiàn)的最終姿態(tài)如下，調(diào)整了脊柱和頸椎曲度，手部放置在方向盤并實現(xiàn)握緊姿勢，腳部分別放置在油門踏板以及地板上面。

圖17 最終姿態(tài)右側(cè)圖

圖18 最終姿態(tài)正面圖

圖19 最終姿態(tài)左側(cè)圖

最后，定位完成后可以點擊Output>Node Keywords輸出單獨的k文件，只包含最終位置的節(jié)點位置信息，方便用戶通過Include文件的方式進行姿態(tài)的管理?；蛘唿c擊 Save在ANSA中保存多體動力學(xué)關(guān)鍵字KIN_POSITION，可以在ANSA中自如的切換初始與當(dāng)前位置。

圖20 輸出節(jié)點位置信息

圖21 保存在ANSA的多體動力學(xué)關(guān)鍵字

總 結(jié)

ANSA 的 人體模型姿態(tài)調(diào)整工具 (HBM Articulation Tool) 得益于內(nèi)置的先進網(wǎng)格變形算法以及多體動力學(xué)求解器的支持， 用戶可以在ANSA中快速高效定位 HBM 并操控其肢體。可通過鼠標(biāo)交互或數(shù)值輸入實現(xiàn)操作。屏幕上的圖形信息為用戶提供完成任務(wù)所需的重要數(shù)據(jù)，如肢體的旋轉(zhuǎn)軸、止動角度和當(dāng)前旋轉(zhuǎn)角度等。相較于傳統(tǒng)預(yù)仿真方式，能夠極大的提高工作效率，并且以十分精準(zhǔn)且高生物逼真度的結(jié)果呈現(xiàn)，后續(xù)還可以配合ASNA其他工具處理與座椅之間的穿透接觸。

作者 | 黃濤

BETA CAE 工程師