了解Ansys Hans——助力提高汽车安全性的人体模型

数十年来，汽车企业一直以安全性能为宣传重点。比如，我们会在广告片中看到，一辆汽车撞向了墙壁，而测试假人几乎毫发无损。如今，随着电气化和自动驾驶成为汽车工程师和消费者关注的焦点，乘员与行人安全问题的重要性也日益凸显。

尽管实体碰撞假人及其数字模型将始终有用武之地，但许多汽车制造商开始采用人体模型技术。日益复杂的安全系统和新的应用领域需要比市场现有人体模型具有更高保真度的模型。不仅如此，世界各地的多家安全认证机构都在制定计划，建立基于合格人体模型的虚拟产品认证体系。这正是Ansys Hans人体模型（用于Ansys LS-DYNA非线性动力学结构仿真软件）的用武之地。

价值非凡的假人

自20世纪40年代末以来，碰撞测试假人就一直在提高交通运输的安全性方面发挥着作用，当时美国空军首次使用碰撞测试假人来测试飞行员约束和弹出系统。此前，美国空军一直使用真人进行测试，直到安全测试变得过于苛刻，以至于人类无法安全参与。在空军应用假人测试取得成功后，汽车制造商也开始创建自己的假人版本。

为满足不同汽车制造商的需求，业内曾开发出多个版本的测试假人，不过，通用汽车公司的Hybrid III假人在1997年成为了正面碰撞和安全气囊合规性测试的行业标准。所有版本的测试假人都被设计为尽可能模仿真实人体——与普通成年男性的体重、尺寸和比例相似，但Hybrid III在这方面表现得最出色。该假人配备了加速度计、电位计和称重传感器，使汽车制造商可以测量人们在汽车碰撞过程中承受的加速度、形变和作用力。

但是随着技术的进步，研究人员获取了更多数据，并对人体有了更深入的了解，伴随着这些新的知识，汽车安全要求也相应提高。因此，WorldSID和THOR等全新改良的碰撞测试假人也应运而生。碰撞测试的最新发展，就包括虚拟人体模型。

你好，我是Hans

Hans是一款高保真度虚拟人体模型，它能够比传统的测试假人提供更准确的人体近似表示。Hans是一种被动模型，适用于从汽车碰撞到运动损伤等各类显式冲击仿真。Hans模型的第一个版本侧重于肌肉骨骼系统，未来的版本会对内脏、脂肪组织以及关节和肌肉运动进行微调。此外，该模型是基于一名30至40岁、体重约77公斤（170磅）、身高1.76米（5英尺9英寸）的男性而构建的。该模型组织由五层结构组成：

1. 骨骼：包括皮质骨和松质骨
2. 结缔组织：包括韧带、关节囊和软骨
3. 肌肉和肌腱：均作为独立部件进行建模
4. 内脏和大脑：均分别建模、离散化处理。
5. 脂肪组织和皮肤：包括脂肪组织、真皮和表皮

物理碰撞测试成本高昂，并且制造商只能看到假人外部发生的情况，而对内部反应情况的了解有限。Ansys应用工程高级经理Alexander Gromer表示：“不过，我们现在拥有了Hans人体模型，我们可以在虚拟碰撞仿真中，将其放置在汽车里，并从骨骼、肌肉和组织的角度查看人体内部的状况。”

系统的大脑

尽管考虑全身的损伤十分重要，但大脑的情况在任何高冲击情况中都尤为重要。毕竟，骨折可以愈合，但脑损伤（尤其是在体育运动等场景中反复受伤）可能会带来长期的、有害的后果。对大脑及其在冲击过程中在颅骨中的移动方式进行建模，使汽车制造商能够了解轻微碰撞是只会引发头痛，还是可能带来更严重的伤害。

Hans团队的应用工程师Skylar Sible表示：“如果把人的头部当作鸡蛋，颅骨就是蛋壳，大脑是蛋黄，而脑脊液是蛋清。我正在跟踪大脑中的12个点，以了解大脑如何相对于颅骨移动，从而更好地对脑脊液进行建模。”

Hans大脑模型（左）和Ansys LS-DYNA非线性动力学结构仿真软件中的大脑冲击仿真（右）

安全第一

Gromer说道：“Hans的目标是为各类安全应用提供所需的一切，无论是对汽车碰撞事件中的乘员还是对行人进行安全分析。”

使用数字模型可减少汽车制造商需要执行的物理汽车碰撞测试次数，从而节省时间和资金。工程师可以通过虚拟方式查看碰撞过程中的情况，进行调整，并再次运行测试，而无需为每一个汽车部件设计物理原型。利用所有这些数据，汽车制造商可以在未来几年内制造出更好、更安全、更高效的汽车。Gromer说道：“如果不进行这类仿真，我认为在未来十年内，我们不可能获得五星级的安全评级。”

然而，对于Hans应用，汽车行业仅仅是个开始。Hans团队计划在下一步改进模型的功能，以涵盖国防、体育和医疗保健领域的载荷工况。

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