基于CATIA知识工程的头部包络模板建立研究

    随着汽车的日益普及，越来越多的消费者不仅关心车辆的价格、排量、外观、配置等，对车内空间的关注度也日渐提升。其中头部空间的大小是汽车产品的一项重要人机指标，它很大程度上影响了驾乘人员的舒适感；而头部包络位置的确定是整车设计中决定头部空间的必要条件，驾乘人员头部空间的舒适感可用头部包络位置来评价。所以，汽车设计工程师根据头部包络位置确定车身内部顶棚的高度。

    美国机动车工程师学会（Society of Automotive Engineers，以下简称SAE），是国际上最大的汽车工程学会组织，制定的标准具有权威性，是机动车行业的技术标准，我国汽车行业也参照其标准。机动车辆驾驶员或乘客头部包络及定位标准（SAEJ1052）明确了汽车驾乘人员头部位置与座椅行程、驾乘位置等有着密切关系。所以，可以根据标准中的算法分门别类，手动建立不同位置、不同条件下的头部包络。我国整车厂在车辆研发阶段，生成汽车驾驶员及乘员头部包络所参照的企业标准，均按照SAE J1052标准翻译而成，一般采用中英文对照形式表达。

    CATIA V5作为目前汽车设计的主流三维开发软件，提供的二次开发接口可以满足设计者的不同需求，其参数化设计模式可以快速满足设计要求，且效率高、方便运用。为了提高工作效率和精度、简化设计过程及方便使用，在CATIA V5平台基础上根据SAE J1052标准，结合专业知识，开发基于知识工程的头部包络模板，并将之应用于实例。

1 头部包络的定义及新版SAE标准的修订

    头部包络是指不同人体坐于汽车内，将座椅调整到合适的位置，头部运动在整车坐标系下所形成的分布图形，为研究车辆的头部空间提供基准。SAE J1052-2002版标准详细地定义并描述了头部包络的种类及生成方法，但是汽车设计工程师在法规解读上易出现偏差，本文特别强调以下两处：

    （1）标准中明确驾驶员与前排乘客外侧的头部包络（靠近车辆中心面的统称为内侧，远离车辆中心面的统称为外侧，车辆中心面定义如图1所示，从后视图进行观察，外侧比内侧进一步延伸23mm，可以一定程度地减小驾驶人员的A柱视野盲区。需要注意，对于第一排驾乘人员外侧而言，不管座椅是否固定，额外的23mm都存在，头包相对于中心点不对称；而其他座椅位置的人体头部包络不存在23mm的偏差，头包相对于中心点对称。即23mm取决于座椅位置，与座椅是否固定并无绝对关系。

图1 车辆俯视图和后视图

    （2）标准中规定若座椅可调节，在侧视图中，头部位置轮廓则前倾12度。如图2所示，其他情况下，侧视图中头部轮廓无倾斜。即头包的倾斜角度只与座椅是否可调节有关，与座椅位置无关。

图2 头部位置轮廓前倾12度示意图

    2002版头部包络标准的改进是为了反衬眼椭圆标准（SAE J941-2002）中机动车辆驾驶员的眼睛位置标准中眼椭圆的变化，其头部包络轴长与头部包络标准97版的一致，但是中心定位不同。两者的具体差别如下：

    （1）97版本中头包中心根据厂家给定的设计靠背角所确定跨点（H）来确定位置，而在2002版本里需要用到相应的眼椭圆中心坐标。

    （2）当座椅移动行程TL23>0时，97版的X轴角度相对于整车X轴向下偏6.4度，小于2002版的12度。

    （3）首次定义了前中心座椅人体的头包位置。2002版的头部包络整体向上向前移动，对车辆的头部空间要求更为苛刻，分类也更加细化。本文参照SAE J1052-2002建立头部包络模板，以便实际调用。

2 头部包络的决定因素及构造

    2.1 头包的决定因素

    考虑到头部包络包含大部分人体正常乘坐状态下的头部运动空间，其大小取决于3个因素，分别是座椅移动行程（TL23）、期望头部运动轮廓的百分点、驾乘人员的座位位置。

    （1）座椅移动行程。头部轮廓的大小和位置均随着座椅运行轨迹的变化而变化。根据座椅可否调整以及调整的大小，对应的座椅行程可分为3大类：0mm（固定座椅）、133mm、大于133mm。其中可调整的座椅（即座椅行程大于0mm），头部轮廓要求往前倾斜12度，反之，头部轮廓相对于固定位置没有倾斜。

    （2）期望的百分点。这里的百分点是指相应比例的人体头部轮廓处于这个范围内，百分点影响了头部轮廓的大小。SAE J1052-2002中提供了第95和99百分点的头部轮廓，显然，第99百分点的轮廓要大于第95百分点。其中第95百分点的头部轮廓满足汽车尺寸标准（SAE J1100）所提供的尺寸要求。

    （3）驾乘人员的座椅位置。通常，对驾驶员和前排外侧乘客来说，后视图中的头部位置轮廓要比其他人的宽23mm，这额外的23mm被定位在乘客中心线的外侧。