基于中国人体特征的参数化人体体表模型建模研究

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作为汽车碰撞安全研究领域的重要工具,人体有限元模型广泛应用于乘员损伤风险评估和汽车约束系统优化设计等方面,然而现有的人体有限元模型大多基于西方人体的固定体型开发,难以反映体征差异对碰撞载荷下乘员损伤情况产生的影响,更无法准确评价中国人体的生物力学特性。本文基于中国人体扫描数据,建立了能够反映中国人体特征的参数化体表有限元模型,为研究体征差异对从人体体表形态的影响和完整参数化人体有限元模型的开发奠定了基础。本文通过志愿者招募得到了67个具有不同年龄、身高和BMI的中国成年男性样本,分析了样本在不同人体特征参数上的分布情况,并与最新全国人体测量数据进行了对比,结果表明所获取样本符合中国成年男性人群在不同体征参数上的分布规律,所选样本可以基本反映中国成年男性人群的体征差异。根据体表解剖学相关内容,确定了62个体表标志点,用于参数化建模过程中的网格映射变换。通过人体三维扫描,获取了目标样本在驾驶姿态和站立姿态下的体表点云数据,以用于汽车驾乘人员和行人人体有限元模型的开发,并对数据进行了清理和修复处理,建立了表面完整平滑的目标体表几何模型。本文提出了一种基于网格变换和回归分析的参数化体表模型建模方法,以THUMS模型为基础,通过姿势调整以及皮肤网格和体表标志点坐标提取,建立了两种不同姿态下的基准体表网格模型。提出了一种基于RBF和KNN搜索的网格变换方法,通过对基准体表网格模型进行网格映射变换,得到了具有目标体表几何特征的网格模型,并对网格变换的结果进行了误差分析,结果表明基准体表网格和目标体表几何具有良好的贴合效果。通过对称处理得到了左右对称的体表网格模型,同时提高了网格质量。采用GPA的方法对所有样本的体表网格模型进行空间位置校准,使其空间姿态更加一致,通过主成分分析和回归分析建立了两种姿态体表的预测模型,并对模型的准确度进行了验证,结果表明,所建立的模型具有良好的预测效果。最终,通过所建立的体表预测模型生成了一组具有不同体征的体表有限元模型,并分析了不同体征参数对人体体表形态的影响。
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