振动环境下人-车系统人体换乘舒适性仿真研究

振动环境下人-车系统人体换乘舒适性仿真研究

地面、海洋和螺母、工农业生产中使用的各种机器和花卉设备将人体发动器振动。这种振动影响着人体，影响着人体的舒适度、工作效率以及一些环境下人体的健康和安全。因此，振动对人体的影响已成为一个不容忽视的研究主题。目前，国内外许多科学家已经通过建立人-车系统动态模型来研究人体振动响应的性能，但这些方法通常忽视了操作人员和感觉人的重要因素。结果不仅有一定的偏差，而且无法研究人体各部分的振动响应。这项工作探索了一种新方法。使用多因素振动模拟分析软件阿拉斯进行多因素动态模型，并使用生物力学专业建模装置进行生命模型的建设，在人体生物结构中建立模型。上述两个模型的安装需要人体支持系统的动态模拟分析，以及在人体支撑下的人体支撑系统、人体支撑和车辆底板之间的衰减元素。建立人-车系统生物力学模拟模型。模拟不同的路面条件下不同部位的振动响应，模拟人体乘坐的舒适度。结合sa30-0802动态振动台上的人体振动加速反应实验，对模拟结果进行比较分析。1人体舒适性的评价方法汽车在行驶过程中,由于路面、车速、运动方向、轮胎及转向系、发动机运转等原因,都会引起汽车的振动,使驾驶员处于振动环境中.汽车振动对人体的影响,可分为局部振动和全身振动,其中:局部振动是指作用于人体特殊部位(如头部、四肢)的振动,包括经由转向盘、脚踏板和各种操纵手柄传递到驾驶员手或脚上的振动;全身振动是指通过人体的支承表面传给人体的振动.驾驶员承受的振动多属于全身振动,它主要是通过驾驶员的臀部、腰背传给人体,激起人体的全身振动.通常,全身振动是对驾驶员造成身体伤害的主要振动形式.为了评价人体受到全身振动时所受影响,国际标准化组织(ISO)于1978年提出了国际标准《人体承受全身振动的评价指南》(ISO2631-1978),随后还对该标准进行了多次补充和修订.国际标准化组织的全身振动评价指南主要考虑了振动对人体影响的4个要素:振动强度、振动频率、振动方向和接触振动的持续时间(暴露时间).到1997年,该组织正式发布了“ISO2631-1:1997《人体承受全身振动的评价》”,其中给出了人体舒适性评价的近似法,即用总加权加速度的均方根值aw来评价人体舒适性(见表1),它用下式计算:aw=[(1.4axw)2+(1.4ayw)2+a2zw]1/2aw=[(1.4axw)2+(1.4ayw)2+azw2]1/2,(1)式中,axw,ayw,azw分别为x,y,z轴向的加速度均方根值,m·s-2.这一评价方法现已作为振动状态下人体舒适性分析的主要依据,也是本文进行人-车系统人体乘坐舒适性仿真研究与评价的基本根据.2人体生物结构模型汽车是一个复杂的多自由度非线性振动系统.汽车在行驶过程中激发的振动主要来自于不平路面、轮胎和传动轴以及发动机等旋转部件.在研究汽车行驶平顺性时,为使研究问题得以简化,可将路面不平视为汽车振动的基本输入.在主要考虑由路面不平度引起的汽车振动时,则由汽车的轮胎、悬架系统、底盘、座椅等弹性阻尼元件传到人体,构成人-车的垂直振动系统.这一系统的拓扑结构如图1所示.为进行振动环境下人-车系统人体乘坐舒适性的仿真需要,依据汽车的技术参数,应用多体系统动力学仿真分析软件ADAMS/View构建了汽车多体动力学模型,并用生物力学专用建模器LifeMOD构建出人体生物结构模型,然后将上述2种模型进行装配,并在人体臀部和座椅之间及人体脚部和车辆底盘间施加阻尼元素,建立人-车系统生物力学仿真模型(见图2).其中,车辆动力学模型的构建包括底盘系统、前悬架系统、转向系统、后悬架系统、座椅、轮胎系统、路面谱文件、后轮驱动扭矩及各构件之间的连接副.轮胎模型是选用Fiala模型,路面模型采用2D(二维平面路面)模型.人体生物结构模型的构建包括骨骼、关节、肌肉软组织等子系统.本文选用PeopleSize骨骼模型的创建方式来设定人群的形态特征,并以95百分位的中国成年男子人体模型为对象进行人体生物结构模型的构建.3路面等级的确定由国际标准、国家标准可知,路面不平度采用功率谱密度Gq(n)来描述其特性,依据功率谱密度Gq(n)可以把公路路面分为不同等级.据统计,我国高等级公路路面谱基本在A,B,C三级范围内,而B,C级路面占的比重较大,因此本文仿真研究主要选择B,C级路面.限于目前国内一般路面的行驶状况,则车速主要选择30,40,50,70km/h等几种情况来研究.3.1c级路面和不同车速下的人体加速度响应加速度值是评价振动舒适性的主要指标,因此在ADAMS中通过改变Stochastic_Uneven路面文件特性参数,来仿真不同等级路面及不同车速下的振动激励,并将此激励作为人-车系统垂直方向的系统输入,通过仿真可以得到人体的振动加速度响应,其中,车速的改变是借助STEP函数改变加载在后轮的力矩实现的.因此,将所构建的人-车系统生物力学仿真模型(见图2)通过在后轮上施加驱动力矩及路面文件,可以得到不同等级路面及不同车速下的人体振动响应仿真结果.限于篇幅,图3、图4仅列出由仿真得到的40km/h车速下B,C级路面随机激励下的人体臀部垂直方向加速度响应曲线及其功率谱密度曲线.比较图3、图4可见:在40km/h车速下B,C级路面随机激励的人体臀部加速度响应趋势基本一致,但C级路面随机激励的人体臀部加速度响应的幅值则明显比B级路面大;对比加速度功率谱密度曲线可见,这2种路面随机激励的人体臀部加速度功率谱密度趋势也是基本一致,但C级路面也明显比B级路面的功率谱密度幅值大,且两者都有2个共振区,其共振范围均在5~6Hz和12~15Hz,在这2次共振区后的共振能量逐渐减小.仿真结果表明,包括人体头部、颈部、上躯干、下躯干等其他部位的加速度响应的变化趋势与人体臀部的加速度响应基本相同.3.2不同路面及车速对人体指纹加速度的影响通过ADAMS/PostProcessor跟踪各加速度响应曲线数据,可以得到各轴向加速度响应的均方根值.依据式(1),可以计算出3个轴向的总加权加速度的均方根值aw.表2为计算求得的车速为30,50,70km/h三种车速下不同路面激励的人体臀部各轴向加速度均方根值及三轴向总加权加速度的均方根值.由表2可见:在30km/h车速下,人体臀部在各级路面激励下所求得的总加权加速度均方根值aw<0.315m·s-2,依据ISO2631评价标准,人体没有不舒适,即人体乘坐舒适度为1.0;在50km/h车速下,B级路面的臀部总加权加速度均方根值为0.24186m·s-2,即没有不舒适,而C,D级路面的人体臀部总加权加速度均方根值在0.315~0.63m·s-2之间,为稍有不舒适,其乘坐舒适度为0.8;在70km/h车速下,B,C路面的臀部均为稍有不舒适,而D级路面下人体臀部总加权加速度均方根值达0.56271m·s-2,为有些不舒适,其乘坐舒适度为0.6.从上述仿真结果可见,不同的路面等级和车速的激励都会影响人体乘坐舒适性.随着路面功率谱密度值和车速的增大,人体的乘坐不舒适性系数逐渐增大.计算结果表明,30km/h车速下,C级路面较B级路面及D级路面较C级路面的人体臀部的总加权加速度有效值增幅分别为33.15%,86.56%;而70km/h车速下,C级较B级路面、D级较C级路面的人体臀部的总加权加速度有效值的增幅分别为28.00%和23.19%.仿真结果表明,在B级路面下,50km/h的车速较30km/h车速、70km/h车速较50km/h车速的人体臀部总加权加速度均方根值的增幅为95.47%,47.55%;在D级路面下,50km/h车速较30km/h车速、70km/h车速较50km/h车速的人体臀部总加权加速度均方根值的增幅为47.82%和23.85%.4在不同的行驶条件下对人体振动反应的实验研究为验证上述人体乘坐舒适度仿真研究的有效性,本文进行了不同行驶状态下人体振动响应实验研究.4.1测试系统及设备本实验采用西安206所已有的美国UD公司的SA30-S802/ST电磁振动实验台,并在振动台上模拟搭建了乘驾实验环境.为使实验结果能与上述人体乘坐舒适性仿真结果进行对比,振动台的输入激励按相应等级路面及车速来模拟.本试验主要选择了B,C两级路面,车速分别为30,40,50,70,90km/h,共5种,总计10种行驶状况.选择8名受试者参加实验,均为身体健康,无肌肉、骨骼系统病患史,脊椎无畸形,年龄在22~60岁间的成年男女,身体各项指标均符合国标GB10000所规定的中国成年人体模型数据5百分位和95百分位之间.通过对实验台输入路面垂直方向加速度功率谱密度来产生不同等级路面及不同车速下的激励,测试人体不同部位的振动加速度响应,进行人体乘坐舒适度的评价.图5为实验设备与及人体振动响应的部分测试部位.实验时,对振动台施加路面振动激励并待振动信号稳定后,采集1min内人体各部位的振动加速度响应,采样频率为1000Hz.测试参数分别为人体头部、上躯干、下躯干、臀部及振动台台面处x,y,z三个方向的振动加速度.4.2路面功率谱gqn依据GB/T7031—2005和ISO8608:1995,路面不平度采用功率谱密度来描述其特性,路面的功率谱密度Gq(n)用下式来拟合:Gq(n)=Gq(n0)(n/n0)-w,(2)式中:n为空间频率,m-1,是波长的倒数,表示每米长度中包括几个波长;n0为参考空间频率,n0=0.1m-1;Gq(n0)为参考空间频率n0下的路面谱值,m3,称为路面不平度系数;w为频率指数,它为双对数坐标上斜线的斜率,决定路面谱的频率结构,对于绝大多数路面,w=2.上述路面功率谱Gq(n)指的是垂直位移功率谱,它与速度功率谱Gv(n)以及加速度功率谱Ga(n)的转换关系如下:Gv(n)=(2πn)2Gq(n)=(2πn0)2Gq(n0),(3)Ga(n)=(2πn)4Gq(n)=(4π2nn0)2Gq(n0).(4)此外,GB/T7031-2005中给出了车速、空间频率与时间频率间的关系图,其表达式为f=n·v,(5)式中:f为时间频率,Hz;n为空间频率,m-1;v为车速,m·s-2.依据上述公式可以计算不同等级路面、不同车速下随机激励的加速度功率谱密度值Ga(n)及其与频率的关系.依据它们就可对随机振动台施加不同路面及不同车速的振动激励,通过人体振动实验来获得人体不同部位的振动加速度响应.4.3c路面运行状态下人体各部位功率谱分布对所采集的人体各部位的振动加速度响应信号选取其中20s时长信号进行低通滤波处理,以去除噪声干扰.图6、图7为经滤波处理后的B,C级路面40km/h车速行驶状况下人体头、臀部的加速度响应信号.对其进行快速傅里叶变换(FFT),便可进行其频谱分析.图8,图9为B,C路面40km/h车速行驶状况下人体头、臀部的频谱图.由图6至图9可以看出,人体头部、臀部在40km/h下B,C两种随机路面上的响应趋势相同,但C级路面比B级路面的响应幅值显著增大,即响应幅值随路面状况的变差明显增大.由图可见,人体各部位在低频区(20Hz以下),都有2个谐振峰值,第1谐振频率在4~8Hz之间,第2谐振频率在12~18Hz之间,且各部位功率谱峰值随路面等级降低而增大.通过数据处理得到的其他部位频谱图,均显示出上述特点.4.4模拟研究与实验结果的比较1面板加速度的计算通过SA30-S802/ST振动台控制窗口的反馈信号,可以得到人体部位的加速度均方根值.图10为B级路面40km/h车速时人体头部振动响应测量时的振动台控制窗口界面,图中:C代表控制信号,即根据随机路面加速度功率谱密度系统自动计算出的台面控制加速度值,单位为g;2是指通道2,代表台面的反馈加速度值;3是指通道3,代表受试者人体部位的加速度均方根值.表4列出了B,C级路面40km/h车速下人体各部位的加速度均方根值.由表4比较结果可见,在B,C级路面车速40km/h下的人体头部、上躯干、下躯干、臀部等4个部位的加速度均方根值,其实验测试结果与仿真计算结果基本相同,误差率均在14%以下.其他行驶状况下的人体4个部位的实验测试结果与仿真结果也基本相同.2仿真结果分析对比图3(b)与图8(b)以及图4(b)与图9(b),可见在B,C级路面及40km/h车速的路面激励下,其仿真计算得到的人体臀部加速度功率谱与该激励下的人体实验测试结果基本相同.通过对比可知,2种研究结果在出现的两阶谐振以及随路面状况的变差其谐振幅值增大等方面基本一致.综上比较,可见上述仿真计算与实验研究结果(即在时域的加速度有效值及频域的频谱分析等方面)基本一致,表明本文所建人-车系统生物力学仿真模型基本正确,为动态环境人-车系统的人体乘坐