ADAMS在座椅系统舒适性研究中的应用备课讲稿

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。ADAMS在座椅系统舒适性研究中的应用-ADAMS在座椅系统舒适性研究中的应用黄斌蒋祖华蔡洪上海交通大学机械学院CIM研究所摘要：本文利用ADAMS/VIEW提供的虚拟产品开发工具对公交车驾驶员座椅进行动态舒适性的研究。经过座椅系统的多体动力学仿真计算得出的加速度加权均方根值为0.7554m/s2小于客车驾驶员座椅的动态舒适性指标1.12m/s2允许值。物理实验也证实了这个结论。这说明：基于产品的计算机仿真模型的虚拟样机技术可以代替或部分代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，从而达到缩短开发周期、

2、降低成本、改进产品设计质量的目的。1引言虚拟样机技术是基于产品的计算机仿真模型的数字化开发方法。它涉及多体动力学与运动学建模理论及其技术实现，是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。利用虚拟样机可以代替或部分代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，缩短开发周期、降低成本、改进产品设计质量，提高面向客户和市场需求的能力。ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems）软件是广泛使用的机械系统动力学仿真软件。用户可以利用ADAMS软件建立并且测试虚拟样机，实现在计算机上仿真复杂机械系

3、统的运动性能。我们在国家863资助的有关客车的项目中，应用ADAMS软件对公交车的驾驶员座椅进行动态舒适性的分析。2研究意义汽车乘坐舒适性是汽车设计开发中的重要问题。汽车乘坐舒适性包括静态舒适性和动态舒适性，前者主要与尺寸参数、表面质量、调节特性等有关，后者则主要与振动特性有关。本文只讨论动态舒适性问题。汽车座椅是人体与汽车直接接触的部件，在路面激励下其动态性能直接影响人体对乘坐舒适性的评价。汽车振动系统主要有轮胎、汽车悬架和座椅三个减振环节，为了降低传递到人体的振动程度、提高舒适性，人们选用弹性合理的轮胎，精心设计汽车底盘及悬架系统。研究表明：轮胎气压降低，减少轮胎垂直刚度，有利于提高汽车平

4、顺性，但轮胎气压的降低会增加轮胎变形，这就减少了使用寿命；对汽车悬架系统来说，适当降低悬架刚度、增加阻尼，有利于提高汽车平顺性，但是悬架、阻尼的改变会影响操纵稳定性和制动稳定性，而这些性能与悬架参数的要求是互相矛盾的，改动余地很小；相比之下，座椅动态参数的改变对汽车的其他使用性能没有影响1。传统的研究方法是通过制造物理样机并进行试验，通过试验结果修正座椅的几何参数、物理参数等，再进行反复多次的试验，得到符合静态和动态舒适性标准的座椅。很显然，这项工作是费时费力的，我们利用ADAMS软件对座椅进行建模和分析，大大地节省了时间和成本。3研究方法31汽车座椅乘坐动态舒适性评价方法在平顺性研究方面，国

5、内外学者做了大量的工作，制定了几个较有影响的客观物理量评价方法2：乘坐舒适性系数法；吸收功率法；单一的不舒适性指数法；总体乘坐值法；国际标准ISO2631标准。1974年国际标准化组织正式公布了国际标准ISO2631“人体承受全身振动评价指南”，1978年对ISO26311974作了一些编辑修改后再次公布为ISO26311978，它得到了许多国家的承认，并成为汽车行业汽车平顺性的评价方法。在建模前还要考虑人体的有关特性。人体严重的振动响应均在30Hz以下，而且上下振动对平顺性影响为70，另有研究认为前后方向振动占12。因此在建模时，考虑上下、前后的振动即可。对驾驶员来说，上下振动的敏感频率在4

6、8Hz之内，前后在12Hz之内34。本文对汽车座椅动态舒适性的评价方法采用国标GB497085标准。相应采用的评价方法是依照GB4970-85和ISO263178，采用1/3倍频程加速度均方根值，通过“疲劳工效降低界限”和“舒适性降低界限”查到相应允许暴露时间Tfd和Tcd来评价，用总的加权均方根值作为辅助评价指标。32动力学模型的建立在建立力学模型之前，为了方便研究，提出了以下基本假设：（1）把整个座椅减振系统分为上下两层，每层简化为刚体。上层是一个固联的刚体结构，拟把金属弹性及座垫弹性用弹性联接实现；下层的金属弹性简化成弹性联接。（2）由于座椅在纵向上的结构是对称的，因此，假设纵向上载荷也

7、是对称的。（3）本研究只考虑座椅上层的上下、前后和俯仰的振动对座椅舒适性的影响。图1表示座椅系统动力学模型。图1座椅系统动力学模型33动力学方程的建立ADAMS程序采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程：SKIPIF10（1）完整约束方程SKIPIF10；非完整约束方程SKIPIF10;其中：T系统功能；q系统广义坐标坐标列阵；Q广义力列阵；对应于完整约束的拉氏乘子列阵；对应于非完整约束拉氏乘子列阵。34动力学方程的求解重新改写(1)式成一般形式为：SKIPIF10（2）其中：q广义坐标列阵；SKIPIF10广义速度列阵；描述约束的代数方程列阵。约束反力及作用力列阵系统动力学微分方程及用户定义的微

8、分方程；4利用ADAMS软件建立仿真分析模型按照建立的力学模型，我们利用ADMAS多体动力学软件建立了座椅动态舒适性仿真模型。首先，利用CAD软件Pro/E进行座椅系统的几何建模，通过STEP格式转换到ADAMS/VIEW并且附加各个所需的物理属性，如：转动惯量、质心、质量等；其次，在ADAMS/VIEW中对座椅系统各个部件加入约束，并在座椅上端加65kg的相当于人的替代物；最后，在座椅底端加在我国B级公路上客车地板实测的位移激励进行动力学仿真。在仿真中座椅系统有两个主要的动态参数：座垫和悬架系统的刚度系数和阻尼系数。本研究的目的是：某客车厂采用的某种型号的驾驶员座椅是否符合国家标准，并研究座

9、椅系统动态特性参数对系统的振动特性的影响以及由此带来的对人体舒适性的影响。根据ADAMS动力学分析，可以得到人体的各向加速度时域与频域谱线，对结果进行分析，可以作出舒适性评价；并得到动态特性参数对人体舒适性的影响，为选择座椅构件动态参数提供了依据。图2表示ADAMSVIEW上建立的座椅仿真分析模型。图2在ADAMSVIEW上建立的座椅仿真分析模型结果分析座椅系统动态舒适性主要与座垫的阻尼系数和刚度系数以及座椅悬架的阻尼与刚度有关。因此，对座椅系统进行动力学分析中，主要考虑上述几个参数的选取对座椅动态舒适性的影响，并通过分析结果选取这几个设计参数。如图3为人体振动加速度时域和频域谱。结果表明：在

10、B级路面上，该座椅系统的固有频率为0.1赫左右，不在人体的敏感频率域内，该项指标合格。图3人体振动加速度时域和频域谱图4为不同参数下人体振动加速度时域和频域谱。本系统的座垫刚度系数13N/mm，阻尼系数为0.3NS/mm，座椅悬架系统刚度系数100N/mm，阻尼器的阻尼为40NS/mm。通过对座椅系统的动力学仿真试验得到的结果再编制C程序进行数据处理，输入实测的汽车传入座椅系统激励时域谱，得出的加速度加权均方根值为0.7554m/s2，小于客车驾驶员座椅的动态舒适性指标1.12m/s2允许值。这个结果说明设计的座椅符合动态舒适性的要求。图4不同参数下人体振动加速度时域和频域谱SKIPIF10根

11、据我们在ADAMS软件得到的结果，我们把座椅系统的参数调整到相应的数值，再进行实验测试，在座椅上放置重物（代替人体），测试重物的振动加速度，再进行数据处理，结果显示与仿真分析的结果大致相同。如上所述，在座椅的虚拟设计和分析中，动态系统动力学软件ADAMS的应用可以在虚拟的开发条件下测试座椅的静态和动态性能，从而可以在不经过建造物理样机的情况下，确认座椅的几何信息和非几何信息，并对其性能有了全面的了解，使得虚拟样机能够代替或部分代替物理样机。参考文献Griffin,DurationofWhole-bodyVibrationExposure:ItsEffectsonComfort,JournalofSoundandVibration,Vol.48,pp.333-339,1976.Janeway,HumanVibrationToleranceCriteriaandApplicationstoRideEvolutio