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九自由度乘坐动力学模型的人体振动特性仿真

张鄂 刘中华 邵晓春

张鄂, 刘中华, 邵晓春. 九自由度乘坐动力学模型的人体振动特性仿真[J]. 交通运输工程学报, 2010, 10(4): 58-64. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2010.04.010
引用本文: 张鄂, 刘中华, 邵晓春. 九自由度乘坐动力学模型的人体振动特性仿真[J]. 交通运输工程学报, 2010, 10(4): 58-64. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2010.04.010
ZHANG E, LIU Zhong-hua, SHAO Xiao-chun. Simulation of human vibration characteristics based on 9-DOF riding dynamics model[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2010, 10(4): 58-64. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2010.04.010
Citation: ZHANG E, LIU Zhong-hua, SHAO Xiao-chun. Simulation of human vibration characteristics based on 9-DOF riding dynamics model[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2010, 10(4): 58-64. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2010.04.010

九自由度乘坐动力学模型的人体振动特性仿真

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2010.04.010
基金项目: 

国家自然科学基金项目 50675170

详细信息
    作者简介:

    张鄂(1948-), 男, 陕西安康人, 西安交通大学与西安外事学院副教授, 从事现代设计理论与方法研究

  • 中图分类号: U461.51

Simulation of human vibration characteristics based on 9-DOF riding dynamics model

More Information
  • 摘要: 为高效预测动态环境下人-车系统的人体振动响应特性及汽车乘坐舒适性, 依据人-车-路系统间的相互作用和多体动力学原理, 建立了9自由度汽车乘坐动力学模型, 应用拉格朗日原理推导了乘坐动力学方程。基于路面不平度激励及汽车行驶速度变化, 构建了路面随机激励的时域模型。利用MATLAB/Simulink仿真工具, 建立了人-车-路系统仿真模型, 并对某轻型车辆在不同路面、不同车速下的人体振动响应进行了仿真分析。仿真结果表明: 在同样车速下, 随着路面等级的降低, 人体各部位的加速度响应幅值明显增大; 当车辆行驶在随机路面上时, 路面不平度随机激励引起的人体振动能量主要集中在低频段, 约在5 Hz出现第1阶共振频率, 大约在10 Hz出现第2阶峰值, 这与众多试验结果一致。可见, 9自由度汽车乘坐动力学模型及其仿真模型, 不仅能快速计算动态激励下人体的振动特性和乘坐舒适性, 而且具有较好的可信度。

     

  • 图  1  九自由度人-车系统乘坐动力学模型

    Figure  1.  9-DOF riding dynamics model of human-vehicle system

    图  2  路面随机激励Simulink模型

    Figure  2.  Simulink simulation model of random road excitation

    图  3  人-车-路系统Simulink仿真模型

    Figure  3.  Simulink simulation model of human-vehicle-road system

    图  4  各子系统Simulink仿真模型

    Figure  4.  Simulink simulation models of subsystems

    图  5  人体臀部的加速度时域响应

    Figure  5.  Acceleration time-domain responses of human buttocks

    图  6  人体臀部的加速度响应频谱

    Figure  6.  Frequency-domain acceleration responses of human buttocks

    表  1  表 1αρ参数值

    Table  1.   Values ofαandρ

    路面等级 A B C D E
    α/(m-1) 0.132 0 0.130 3 0.120 0 0.100 7 0.090 0
    ρ/m 0.001 5 0.003 2 0.006 0 0.011 5 0.022 0
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    表  2  人-车参数值

    Table  2.   Parameters of human-vehicle

    计算参数 数值 计算参数 数值
    mb/kg 690.00 kp3/(kN·m-1) 111.54
    Jb/(kg·m2) 1 222 kp4/(kN·m-1) 700.37
    mfs/kg 40.50 ks/(kN·m-1) 20.11
    mrs/kg 45.40 cfs/(kN·s·m-1) 1.50
    mp1/kg 5.31 crs/(kN·s·m-1) 1.50
    mp2/kg 24.14 cft/(N·s·m-1) 0.00
    mp3/kg 10.45 crt/(N·s·m-1) 0.00
    mp4/kg 15.60 cp1/(kN·s·m-1) 4.00
    ms/kg 104.00 cp2/(kN·s·m-1) 4.00
    kfs/(kN·m-1) 17.00 cp3/(kN·s·m-1) 4.00
    krs/(kN·m-1) 22.00 cp4/(kN·s·m-1) 2.70
    kft/(kN·m-1) 192.00 cs/(kN·s·m-1) 0.66
    krt/(kN·m-1) 192.00 l1/m 1.25
    kp1/(kN·m-1) 309.95 l2/m 1.51
    kp2/(kN·m-1) 150.01 l3/m 0.31
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    表  3  加速度、人的主观感觉和汽车乘坐舒适性

    Table  3.   Corresponding values of acceleration, human subjective sensation and vehicle riding comfort

    加权加速度/(m·s-2) < 0.315 0.315~0.63 0.5~1.0 0.8~1.6 1.25~2.5 > 2.0
    人的主观感受 没有不舒适 稍有不舒适 有些不舒适 不舒适 很不舒适 极不舒适
    汽车乘坐舒适度 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0
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    表  4  人体各部位的加速度均方根值

    Table  4.   Acceleration RMS values of human parts

    车速/(km·h-1) 路面等级 加速度均方根值az/(m·s-2)
    头部 上躯干 下躯干 臀部
    30 B 0.113 0 0.112 8 0.110 6 0.107 0
    C 0.203 6 0.203 2 0.199 2 0.192 8
    D 0.358 2 0.357 5 0.350 6 0.339 2
    40 B 0.152 1 0.151 8 0.148 7 0.143 7
    C 0.274 1 0.273 6 0.268 1 0.259 1
    D 0.482 9 0.482 0 0.472 3 0.456 5
    60 B 0.218 4 0.218 0 0.213 2 0.205 7
    C 0.394 6 0.393 7 0.385 2 0.371 7
    D 0.697 3 0.695 8 0.680 8 0.657 0
    90 B 0.292 1 0.291 4 0.284 4 0.273 8
    C 0.529 5 0.528 2 0.515 7 0.496 5
    D 0.941 8 0.939 5 0.917 4 0.883 4
    120 B 0.334 0 0.343 1 0.334 2 0.321 1
    C 0.626 4 0.624 6 0.608 6 0.584 8
    D 1.122 4 1.119 3 1.091 0 1.048 7
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出版历程
  • 收稿日期:  2010-03-12
  • 刊出日期:  2010-08-25

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