TFLEXCAD创建三维人体模型应用，确定设计和制造乘客室和座椅参数

俄罗斯T-FLEX CAD系统在创建成人三维人体模型时的应用，以确定设计和制造的车辆的乘客室和座椅的参数

作者：Gurin Andrey Mikhailovich，SERCONS 集团公司设备实验室

INNOVATION LLC 首席设计师

机动车辆在人类生活中的出现和广泛使用决定了其设计在设计阶段和中试批次的厂内测试以及供应给成品车的合规程序（验证）期间必须符合监管文件的严格要求。

3D 登机假人的真实感渲染

在解决车辆的被动安全性、舒适性和设计问题的同时，特别注意确定客舱和座椅的参数，这是使用三维着陆假人进行的，其设计符合GOST 20304 的要求及其草图如图 2 所示。

1.三维人体模型用于以下目的：

1.确定机动车辆全尺寸样品上的乘客室（驾驶室）和座椅参数，以检查其是否符合制造商设计文件中确定的参数，并表征车辆实际点 H 的相对位置驾驶员和成年乘客的座椅相对于车身结构元件（驾驶室）、座椅、控制装置（踏板、控制杆），以及根据 GOST 28261 确定座椅靠背的实际倾斜角度。

2.座椅结构及其材料的设计和生产。

H点是人体模型髋关节的中心，位于穿过坐骨板侧塞中心的线与人体模型对称面的交点处。三维着陆假人的设计如图 1 所示。

2（未指定的最大尺寸偏差±1毫米）并包括模拟人体以下部分的组件：

·躯干

·臀部部分，

·小腿和脚。

以及带有尖端的旋转杆，用于测量车身乘客舱的高度。

图1. 3D 登机假人草图

图 2.三维着陆假人

1-髋关节轴的设计；2——胫骨重量；3 - 小腿; 4——脚；5 - 踝关节; 6——小腿配重支架； 7 - 膝关节; 8——股骨负荷；9——髋部负荷；10-扇区；11——纵向水平支架；12——调节螺钉；13——后负载；14——旋转杆；15——旋转杆尖端；16——后面板支架；17 — 躯干；18——背部配重支架；19——后面板；20 - 坐骨板; 21——可拆卸插头；22——纵向水平；23——横向水平仪；24——膝关节支架；25 - 臀部部分的骨骼。

比例参数在表中给出。1. 人体模型的部分——小腿和臀部——的长度可以在图1所示的范围内调节。2、也有10%、50%、95%代表性水平的固定规定，被理解为任意人体测量特征数值小于或等于的相应部分人群的百分比值其指定值。

表 1.

模拟左脚的组件（右脚为镜像）的设计、形状和踝关节的主要尺寸如图 3 所示。

图3. 人体模型左脚（右 - 镜像）

座板的投影图和几何尺寸对应于图1。4、表。2. 所有尺寸均基于外表面。

图4. 人体模型左脚（右 - 镜像）

表 2.

后面板的投影图和几何尺寸对应于图5和表3. 所有尺寸均基于外表面。

图 5. 后面板投影图

面板部分

面板截面尺寸，mm

尺寸a

，毫米

1-1

2-2

3-3

4-4

尺寸h

А — А

104

102

95

62

0

Б — Б

104

102

93

46

12

В — В

104

102

91

31

5

Г — Г

104

102

92

50

10

Д — Д

103

100

91

68

27

Е — Е

99

97

80

71

38

Ж — Ж

90

87

82

77

45

К — К

76

73

68

58

44

М — М

60

58

45

38

32

尺寸b

41

41

39

30

除背部和坐骨板外，人体模型的其他部分均由不锈钢制成。靠背和座板由塑料（玻璃纤维） 制成并涂漆。面板的刚性足够，因此在测试过程中不会出现影响测量结果准确性的变形。根据 GOST 2789，面板外表面的粗糙度参数不超过 Rz40。

负载假人的总质量为 75.6 +3.9 kg，其各部件的质量与表4中所示相对应。

表 4.

GOST 20304 中给出了人体模型结构元件的更详细描述和要求。

对人体模型的背部和等骨面板的表面进行建模

同时，从设计的角度来看，三维人体模型的结构元素中特别令人感兴趣且难度增加的是坐骨和背板，它们具有复杂的外表面几何形状。测试期间测量结果的准确性取决于这些表面建模的准确性。

对现有类似人体模型的面板或国外设计程序中的多边形建模进行激光 3D 扫描（例如，通过放置在三个相互垂直的平面中的投影图像形成 3D 模型）无法提供所需的高精度几何形状。因此，为了根据 GOST 20304 中给出的数据对三维人体模型的组件和部件进行建模，特别是坐骨和背板，使用了俄罗斯工程软件 - T-FLEX CAD 自动设计系统，该系统具有扩展的表面建模模块，精度高达小数点后第六位，以及用于分析结果几何形状的工具。

后面板表面建模

让我们首先描述后面板的设计技术，与坐骨面板相比，后面板的设计技术要简单一些。在此面板中，我们定义建模的关键阶段：

1.基于如图所示的尺寸数据。5、表。3，我们将为规划表面构造其框架（骨架、线） 几何体，这是一组基于具有 G1 类型切线连续性的样条线的一组 3D 轮廓，穿过位于相互垂直的截面 A-A 相交处的参考点 -分别为 M-M 和 1-1 - 4-4，并从割平面 T-T后退给定距离，形成曲线的空间网格，平面内的单元尺寸为 50x50 mm。

1.1.由于背板的几何形状相对于纵向（矢状）平面具有对称形状，为了加速几何构造，在一定的边界条件下，可以在一半上创建样条线，其镜像相对于对称轴将为我们提供它的后半部分。让我们在水平工作平面上绘制 A-A 剖面的草图，根据图 2 从基准平面“顶视图” 后退 50 毫米。5、使用“Constructions”命令组的便捷工具。通过创建平行的水平和垂直构造线，按图 1 所示的指定距离后退。5 并在表中。3、得到它们的交点，通过交点画出“样条”类型的构造线。在这种情况下，在样条的边界点处，需要建立曲率条件，即在垂直轴上的起点处和水平轴上的终点处 - 切线与曲线的垂直度。相应的轴（注意：对于对称样条线，中点处的切线垂直于样条线的对称轴）。通过“样条线对称”命令创建样条线的后半部分，并使用“图像”命令，我们将获得整个样条线的图像线，分别完成草图后，我们将获得该样条线的3D轮廓样条截面 A-A。同样，在以下工作平面上，步长为 50 mm，并根据表中的数据。如图 3 所示，绘制了所有其他水平截面 B-B - M-M 的样条草图和相应的 3D 轮廓（图 6）。此外，为了进一步构建，我们将在每个草图的参考点处创建必要的 3D 节点。

图6. 水平截面 B-B 的对称样条草图（显示单元关系）

1.2.让我们沿着垂直截面 T-T 创建后面板的 3D 轮廓（图 5），与基础平面“左视图” 重合。为此，我们还将使用水平和垂直的构造线，按照图 1 所示以指定距离后退。5、表。3. 这些线的交点使得可以通过它们构建样条曲线截面 T-T。为了阐明样条几何形状， 我们通过将先前获得的水平截面 A-A - M-M 3D 轮廓的末端投影到工作平面上来获得额外的参考点（图 7）。由于背板的轮廓在下轮廓线和侧轮廓线之间有一个明确定义的过渡点（图 5），因此建议构建两个单独的样条线 - 一个对应于背板的下轮廓，第二个对应于背板的下轮廓。它的侧面轮廓。同时，为了区分同一工作平面上草图中的两个样条线之间的系统，我们将以不同的颜色创建它们，例如黑色（基本）和绿色。完成工作平面上草图的构建后，我们获得了对应于 T-T 截面一半的 3D 轮廓。为了获得对称的一半，我们将使用“Symmetry”3D 建模命令，选择轮廓对称模式。此外，为了进一步构建，我们将在草图的参考点处创建必要的 3D 节点。

1.3.

图7. T-T 剖面垂直平面内样条草图（“左视图”）

1.4.让我们创建另一个 3D 轮廓，该轮廓对应于后面板在剖面工作平面 1-1 上的投影，该平面与“前视图”基准平面重合。使用图中的数据。5、表。3并创建相应的构造线， 我们得到三个参考点，通过这些参考点，您可以使用“草图”命令组中的三个点绘制样条线或圆弧（图8）。

图8.剖面1-1垂直平面内的圆弧草图（“正视图”）

1.5. 为了获得背板框架几何形状的闭合下边界，我们将构建一个 3D 路径，从其两个投影重新创建，这对应于前一阶段创建的现有轮廓，即截面 T-T 的下样条线（“左视图”） 和剖面 1-1 草图（“前视图”）。结果，我们获得了一条 3D 路径，其相对于“前视图”平面的对称性决定了后面板表面框架几何形状的下边界（图 9）。

图 9. 从两个投影重建的背板几何框架下边界的 3D 路径

1.5.为了获得后面板框架几何形状的闭合上边界，我们将根据穿过后面板轮廓最顶部的平面中的草图创建轮廓，通过特征点构造样条线，边界条件为与它们相切的极值点。

1.6.为了获得后面板框架几何形状的附加元素，并相应地提高构建其表面的精度，我们将构建位于部分 1-1 - 4-4 的垂直平面中并分别穿过先前创建的 3D 路径3D 节点。另外构建的工作平面距剖面 1-1（“前视图”）的步长为 50 毫米，允许您在这些平面与框架几何体下边界的 3D 路径的相交处创建 3D 节点，其中，反过来，允许您闭合平面部分 1-1 - 4-4 的 3D 路径，连接几何框架的下边界和上边界（图 10）。

图10. 构建后面板表面框架的辅助平面、3D轮廓、3D节点、3D路径

用于创建后面板表面的所得框架的投影如图 11 所示。

图11、后面板边框面主要投影

1.7.收到几何框架后，我们会记下您可以应用适当的表面形成命令的特征区域。因此，为 了获得 3D 路径和截面轮廓 A-A 之间的下闭区域，我们首先将 3D 路径与相应的 3D 节点进行划分。要在生成的封闭区域的边界内创建曲面，您可以使用“填充区域”命令，另外选择支撑边作为条件，在垂直切割平面 1-1、2-2、3-3 中指定 3D 路径引导及其对称副本（图 12.a）。

1.8.同样，使用命令将 3D 路径划分为所需的截面，我们将创建以下封闭区域，由截面轮廓 A-A、相应 3D 路径的对称截面和截面轮廓 B-B 组成。此外，要在生成的封闭区域的边界内创建表面，请使用“填充区域”命令，指定相应的 3D 路径引导作为参考边（图 12.b）。

1.9.从图中可以看出。如图 10 和 11 所示，要创建从截面 B-B 到截面 M-M 穿过结构中相同类型轮廓的表面截面，建议使用“按截面”命令，从相应的截面和导向中依次指定所需截面，选择特征3D 路径。因此，您将获得可以平滑、准确地从一个截面移动到另一个截面的表面截面（图 12.c）。

1.10.对于下一个区域，我们将再次应用将 3D 路径划分为所需部分的命令以及带有相应支撑边缘指示的“填充区域”命令，获得所需的表面积（图 12.d）。

1.11.通过选择适当的轮廓并使用平面的“填充区域”命令来形成表面的最上部分（图 12.e）。

图12、后面板边框面主要投影

在分析人体模型后面板表面的 3D 模型时，确保完全符合设计中使用的初始数据非常重要， 如图 1 所示。5 并在表中。3 GOST 20304，并注意在 3D 模型上获得的区域，这些区域是正常体型成人背部解剖特征的特征，即肩胛下区域的凹陷；肩带和颈椎的自然曲线；与车 辆座椅靠背接触的腰椎伸直部分；胸部侧面部分的形状。

图13. 透明形式的后面板表面 3D 模型的等轴测图，带有线框网格和

图14. 透明形式的后面板表面 3D 模型的前视图、侧视图和俯视图

坐骨面板表面建模

让我们考虑一下座椅面板表面建模的各个阶段。

2.基于如图所示的尺寸数据图 4-表 2，通过与后面板类比，我们将为计划表面构造其框架（骨架、线）几何形状，这是基于具有 G1 型切线连续性的样条线的 3D 轮廓，穿过位于相互垂直的交点处的参考点分别为剖面 A-A - С-С 和 1-1 - 5-5，并以给定距离从割面 T-T 后退，形成曲线的空间网格，平面内的单元尺寸为 50x50 mm。

2.1.就像背侧板一样，坐骨板的几何形状相对于纵向（矢状）平面具有对称形状，因此， 为了加快几何构造，在某些边界条件下，可以在一半上创建样条线，相对于对称轴的镜像将为我们提供它的后半部分。让我们在距基准面“左视图”50 毫米的垂直工作平面中绘制 A-A 剖面草图，如图 1 所示。4、使用“Constructions”命令组的工具。通过创建与部分 1-1 - 5-5 相对应的平行水平和垂直构造线，并按图 1 所示的指定距离后退。4 并在表中。如图2所示， 考虑到第2-2节中的水平尺寸“a”和第T-T节中的垂直尺寸“b”指定的附加点，我们获得交点，通过这些交点绘制“样条”类型的构造线。需要注意的是，根据图4 并在表中。2、从A-A截面到J-G截面，该截面中部的座板有一个平坦的水平截面，与T-T截面后退150mm的距离，与基础平面“俯视图”重合，用于紧固框架臀部部分（图 2 中的第 25 项）。水平剖面结构如图15 所示。

图15、座板表面框架水平剖面示意图

对此，在样条线对应的边界点处，即与水平截面投影的终点重合的地方，需要建立一个曲率条件——样条线与水平线的切线。通过“样条线对称”命令创建样条线的后半部分，并使用“图像”命令，我们将获得整个样条线的图像线，分别完成草图后，我们将获得该样条线的3D 轮廓样条截面 A-A。类似地，在以下垂直工作平面上，步长为 50 mm，并根据图 1 中的数据。如图 4 和表 2 所示，为所有其他垂直截面 B-B - N-N（图 16、17）构建了花键草图和相应的 3D 轮廓（图 16、17），但截面 C-C 除外，其中轮廓是定义座椅表面边缘的点面板位于中平面 1-1 中。此外，为了进一步构建，我们将在每个草图的参考点处创建必要的 3D 节点。

图16. B-B 剖面草图，垂直平面与坐骨板表面水平剖面相交

图16. B-B 剖面草图，垂直平面与坐骨板表面水平剖面相交（显示元素关系）

图17、座板表面水平剖面后与垂直面的K-K剖面草图

2.2.让我们为座椅面板的表面创建一个框架，它是连接面板中心部分的边缘和侧边缘末端的垂直截面。为此，使用图 1 中的数据。4、表。2、首先我们构造一条对应于该部分上边界的3D路径。在A-A部分的草图中，我们将构造一个特征点，其位置在表中给出。2 种尺寸“a”和“b”（图 18）。

图18. 使用尺寸“a”和“b”构造A-A部分中的特征点

让我们在垂直平面上为座椅面板的边缘创建一条水平线，与剖面 AA 间隔 37 毫米。该线从剖面 T-T（平面“顶视图”）后退 152 毫米，其末端从剖面 2-2 后退 5 毫米（图 19）。

图19. 坐骨板边缘水平线

另外，根据图如图 4 所示，我们将创建一个 3D 节点，该节点位于距剖面 A-A 15 mm 的垂直平面中，距剖面 T-T 的相应距离为 140 mm，距剖面 5-5 的相应距离为 12 mm。

收到三个特征 3D 节点后，我们将以样条线的形式构建 3D 路径，该路径确定所考虑部分的上边界（图 20）。

图20. 坐骨板末端部分上缘的 3D 路径

让我们将生成的 3D 路径投影到与 T-T 截面（顶视图平面）平行的平面上，并穿过与 A-A截面样条曲线最低点相对应的 3D 节点。

让我们构建一条 3D 路径，通过三个相应的参考 3D 节点定义所考虑区域的下边界，观察样条线与相应边界点处的曲线相切的条件（图 21）。

图21. 坐骨板末端下缘的 3D 路径构建

由此，我们获得了一个 3D 路径的闭合区域，该区域形成了座椅面板表面的垂直剖面，连接了面板中央部分的边缘和侧边缘的末端（图 22） 。

图22、座板表面的一段，连接板的中心部分的边缘和侧边缘的端部。

2.3.在截面 1-1（“前视图”）的中间平面中，我们将使用穿过 A-A - C-C 截面 3D 轮廓投影所获得的点的样条线构建草图（图 23）。为了便于在工作平面草图模式下进行投影，您可以使用“场景旋转”命令。

图23. 1-1 节草图。

2.4.让我们构建 3D 路径及其镜像副本，依次连接 A-A - C-C 部分 3D 轮廓的所有相应中间和最终 3D 节点（图 24）。

图24.依次连接截面A-A-C-C的3D轮廓的所有中间和最终3D节点的3D路径。

2.5.为了获得座椅面板框架几何形状的附加曲线，并相应地提高构建其表面的精度，我们将创建穿过水平切割平面相交处的 3D 节点的 3D 路径，步长为 50 mm，与截面平行平面T-T（平面“顶视图”）以及相应构造的截面 A-A - C-C 的 3D 轮廓以及截面 1-1 中间平面的3D 轮廓。使用构造命令“元素相交处的 3D 节点”，我们将在指定平面与截面 A-A - C-C 的3D 轮廓的相交处顺序创建 3D 节点。让我们构建穿过生成的 3D 节点（图 25）的所需 3D路径，形成面板表面骨架的水平边缘。

图25 对应于平行于截面T-T的平面中的表面的水平边缘的3D节点和3D

图25 对应于平行于截面T-T的平面中的表面的水平边缘的3D节点和3D路径。

2.6.为了获得与坐骨板表面骨架的垂直边缘相对应的附加曲线，我们构建了与部分 2-2、3-3、4-4 相对应的平面。使用“相交处的 3D 节点”构造命令，我们将在指定平面与横截面M-M 和 H-H 的 3D 轮廓以及段落中获得的 3D 路径的相交处创建 3D 节点。2.4 和 2.5。让我们创建穿过生成的 3D 节点的所需 3D 路径的延续（图 26）。

图26- 与剖面2-2-4-4中的表面的垂直边缘相对应的3D节点和3D路径。

2.7.应用“对称”操作并选择“构造对称”类型，我们将创建相对于“前视图”平面的结果 3D 路径的镜像副本，这与第 1-1 节一致。结果，我们获得了坐骨板表面的框架（骨骼、线）几何形状，如图 1 所示 27.

图27. 构建座板表面框架的辅助平面、轮廓、3D节点、3D路径

所得到的坐骨板表面框架的投影如图 28 所示.

图28. 坐骨板表面框架的主要投影

2.8.收到座椅面板几何结构的骨架后，我们将注意到可以应用适当的表面形成命令的特征区域。为了在中央前边缘和水平部分起点之间的边界内创建一个曲面，我们将使用“填充区域” 命令（图 29，a）。相同的命令可用于完全在水平剖面上创建表面剖面（图 29，b），以及第一个横向下降剖面（图 29，c）。

2.9.要创建连接座椅面板中心部分的边缘和侧边缘末端的表面的垂直剖面，请使用“直纹表面”命令（图 29，d）。

2.10.要在水平中心部分内从 B-B 截面到 D-D 截面的表面的一侧创建下降部分，我们将依次使用“按截面”命令，从相应的截面和参考线中指定所需的截面，选择特征3D 路径。我们首先将截面的 3D 轮廓沿 3D 节点划分为相应的对称截面，并且为了正确设置引导，可能需要将相应的 3D 路径划分为截面边界内的截面。因此，您将获得可以平滑、准确地从一个截面移动到另一个截面的表面截面（图 29，e - h）。

2.11.使用“对称操作”模式中的“对称”命令并选择先前获得的曲面截面，并作为对称平面 - 截面平面 1-1（“前视图”），我们将构造填充截面的镜像一半面板的前边缘到其中心水平图的末端（图 29，i）。

2.12.接下来，再次建议依次使用“按截面”命令，在截面 E-E - H-H 的相应边界处选择整个3D 轮廓，以及基于 3D 路径的所需指南，如有必要，可以首先将其划分进入边界部分内的部分。这样，连续获得表面的平滑过渡部分（图29，j-o）。

2.13.要创建座椅面板最靠背的曲面，请使用“填充区域”命令。首先，为了形成必要的闭合轮廓，我们将表面骨架上轮廓的 3D 路径划分为 H-H 截面 3D 轮廓边界内的中心部分。通过从命令中的指定区域形成轮廓并指定边缘作为附加条件，选择相应的 3D 路径，我们获得平滑填充的区域（图 29，p）。

2.14.最后，我们将“缝合”命令应用于生成的各个表面，这使我们能够将它们组合起来并获得座椅面板的单个表面，其图像如图 1 所示30和31。

图29（a-e）。创建座椅面板表面各个部分的顺序

图29（男-女）。创建座椅面板表面各个部分的顺序

图29（n-p）。创建座椅面板表面各个部分的顺序

在分析人体模型座板表面的 3D 模型时，确保完全符合设计中使用的初始数据非常重要， 如图 1 所示。4 并在表中。2 GOST 20304，并注意在 3D 模型上获得的区域，这些区域是正常体型成人臀部区域解剖特征的特征，包括骨盆、髂骨和坐骨的特征突出、臀肌的圆度肌肉，从骨盆到腿部膝关节的臀部横截面变窄。

图30. 透明形式的座椅板表面 3D 模型的等轴测图，带有框架网格和材料覆盖层

图31.透明形式的座椅板表面3D模型的前视图、侧视图和顶（底）视图，具有框架网格 和材料覆盖层

基于获得的背侧板和坐骨板表面的精确电子模型，组织了它们的大规模生产。此前，使用数控铣床用胶合板制备主模型，将其用作玻璃纤维制造成品的基体，从而提供必要的强度、刚度和耐腐蚀性。随后，在产品的外表面涂上一层光亮涂料，确保粗糙度值符合 GOST 要求。

除了坐骨和背板的建模之外，三维人体模型的所有其他零件和组件也都是在 T- FLEX

CAD 系统中利用其广泛的功能进行设计的：

1.创建了零件和装配单元的 3D 模型，包括它们的设计（附录 A，图 P.A 1）。

2.人体模型模型被参数化，以根据比例评估人体模型部件的线性和角运动的符合条件。

3.使用T-FLEX分析模块中的有限元方法，进行静态强度计算，并确定关键部件在载荷作用下的变形（附录A，图P.A 2）。

4.图纸是按照ESKD 的要求绘制的（附录A，图P.A 3）。

5.自动生成装配单元的规格，包括。规格与版本的可变数据（附录 A，图 P.A 4）。

6.为了便于理解产品的生产和操作阶段，我们准备了用于组装和拆卸人体模型组件的视频场景（附录A，图P.A 5，链接到地址中的视频）。

7.创建人体模型 3D 模型的真实感图像是为了更好地感知和提供给客户，以及准备技术护照和产品使用说明（附录 A，图 P.A 6、7）。

附录提供了伏尔加汽车厂“AVTOVAZ”和乌里扬诺夫斯克汽车厂“UAZ”生产的俄罗斯汽车内饰中的人体模型及其在驾驶员座椅上的位置的示例，以 LADA LARGUS 商用车 LADA

GRANTA 为例和LADA VESTA SW乘用车，以及越野车UAZ PATRIOT。

作为一个全面完成的项目的结果，俄罗斯自动设计系统 T-FLEX CAD 的使用显示了其在解决各种工程问题方面的高效率 - 从简单到复杂程度的增加，包括复杂曲面的建 模，这是在汽车运输工程以及航空、火箭和航天工业、造船、机床制造和其他需要精确的固态和表面建模、有效执行的领域设计新的知识密集型和技术复杂产品的结构时尤其重要需要大量的设计文档、可靠的强度计算、设计产品的高质量照片和视频可视化。

应用领域

PA 1.产品装配图，在T-FLEX CAD中设计

图P.A2.在对一整套背部载荷的重量进行建模时（有限元网格、安全系数、等效应力、变 形），在 T-FLEX ANALYSIS 模块中计算躯干框架的静态强度

图P.A 4. 执行时可变数据的规范

图P.A 5. 产品拆解场景

图P.A 7. 三维着陆假人在不同位置的逼真图像

图P.B 1. 三维着陆假人成品照片

图PB 2. 在 AVTOVAZ 商用车 LADA LARGUS 中放置三维假人

图P.B 3. 在 AVTOVAZ LADA GRANTA 客车中放置三维假人

图P.B 4. 在 AVTOVAZ 客车 LADA VESTA SW 中放置三维着陆假人

图P.B 5. 在UAZ越野车UAZ PATRIOT中放置三维着陆假人