动态环境人-车系统的人体振动特性研究与仿真

 针对动态环境机械系统人-机界面设计的分析需要,应用人体动力学建模与人体振动实验相结合方法进行动态环境人-机系统的人体振动特性研究与仿真分析.依据多体系统动力学原理建立了人-车系统五自由度（5-DOF）坐姿人体全身垂直振动模型,经人体振动实验得到坐姿人体的传递函数曲线,采用参数识别方法获得人体的动力学参数,在此基础上,通过MATLAB/Bode对人体振动模型的模拟分析,得到了人体各部分的振动特性.用ADAMS/Vibration软件系统进行人体振动仿真试验,验证了5-DOF人体振动模型的人体振动特性研究结果的有效性.研究结果对于分析人-车系统的人体动力响应有着重要价值,可为动态环境机械系统的人-机界面设计提供重要参考,对客观评价人体坐姿的舒适性有指导作用.     

温度力对无缝线路钢轨振动及传递特性的影响分析EI北大核心CSCD

为研究温度力作用下无缝线路钢轨的振动及传递特性,基于有限元方法,建立钢轨实体模型,分别对钢轨施加垂向和横向0～2 000 Hz简谐荷载,从频域角度分析不同温度力下钢轨的垂向和横向振动及传递特性。研究结果表明,随着钢轨温度的升高,钢轨垂向共振和pinned-pinned共振频率及振幅均有所减小;小于钢轨共振频率(300 Hz)的范围内,钢轨垂向振动衰减最快,钢轨振动频率越高,沿线路方向传递越远;不论温升还是温降都会减缓钢轨垂向共振的衰减;随着钢轨温度的升高,钢轨横向共振频率有所减小,振幅有所增大;与垂向振动传递相比,温度力作用对钢轨横向振动传递影响较小,仅对横向弯曲共振频率(135 Hz)以下频段的振动传递影响较大。     

面向振动响应特性的坐姿人体动力学模型

为了能准确地模拟人体的振动响应特性,并减少模型的复杂程度,结合分析力学和人体各部位实际状况,建立了六自由度坐姿人体动力学模型。列出了该模型的运动微分方程,并推导出人体振动响应特性的计算公式,以试验数据为依据,以动态等效质量和座位处到头部传递函数为目标,运用多目标优化方法获得了模型参数。结果显示,六自由度模型能准确的拟合人体振动响应特性曲线。将该模型与经典的集中参数模型（ISO 5982（2001）模型）和复杂生物力学模型（Tae-Hyeong Kim的模型）进行对比分析,该模型能更好地拟合实验数据,其结构简单却能相对完整、准确地反映人体动态特性,可用于人体振动响应仿真分析。     

铁路卧铺客车人体振动舒适性建模与仿真

铁路卧铺客车乘客在卧姿状态下所承受的全身振动是影响其乘用舒适度的主要因素。研究了卧姿人体垂直振动模型,在铁道车辆二系悬挂动力学模型基础上,考虑卧铺的隔振作用与卧姿人体的垂直振动响应特性,建立了14自由度"人-铺-车辆"振动系统空间垂向耦合动力学模型,研究了在轨道随机不平顺激励下的卧姿人体垂直振动响应。应用卧姿人体全身振动舒适性评价标准,建立了铁路卧铺客车人体振动舒适性仿真流程。通过对人体头-臀二部位加速度均方根值先后进行部位计权和频率计权,得到卧铺客车卧姿人体振动舒适性指标。以M atlab为工具编制了卧铺客车人体振动舒适性仿真软件,交互输入车辆与人体的结构和动力学参数后,自动完成卧姿人体振动舒适性仿真计算,进而为铁路卧铺客车人体振动舒适性分析及车辆悬架参数优化提供了有效分析手段。     

多自由度坐姿人体上体系统动力学建模与振动特性研究

针对动态环境汽车人机界面设计分析的需要，依据多体动力学原理建立了坐姿人体上体系统4自由度的垂直振动模型，并推导了描述人体位移、速度和加速度三种响应的STH，DPM，AM理论表达式．依据已有的人体振动试验数据，运用系统辨识方法，进行振动模型的动力学参数识别，并将所识别出的参数进行人体振动特性计算．验证研究表明，所计算出的人体振动特性数据与人体振动特性测试数据有较高的吻合度．以汽车人机界面设计为实例，通过模型研究了人-车（人-椅）系统人体和座椅的振动特征．所得结果对合理选取汽车座椅参数，提高汽车人机界面设计的宜人性和合理性有一定的指导意义．     

坐姿人体四自由度动力学模型研究——集中参数模型及其在汽车乘坐舒适性研究中的应用

进行坐姿人体动力学研究对提高应用系统的研发效率具有重要意义。为进一步提升坐姿人体四自由度集中参数模型动力学响应性能,提出了一种坐姿人体四自由度集中参数模型。基于多目标函数协调优化原理,进行了模型参数辨识,并与经典的四自由度集中参数模型进行了对比和分析。基于提出的模型,建立一种"人-椅-车"七自由度模型。完成了汽车在不同行驶路面情况下坐姿人体的动力学响应的仿真实验,利用均方根加速度对坐姿人体的动力学响应进行了量化分析和评价。研究结果表明,进行基于非支配排序的带有精英策略的多目标优化算法(NSGA-Ⅱ)的坐姿人体四自由度集中参数模型多函数协调优化方法切实可行。提出的模型能够更加有效地描述坐姿人体动力学响应,可以有效用于载运工具乘坐舒适性(行驶平顺性)研究工作。     

钢轨吸振器对高架结构垂向振动的影响

建立带有钢轨吸振器的高速铁路高架结构板式轨道与桥梁垂向耦合振动模型,分析钢轨吸振器对轨道和桥梁结构垂向振动的影响。模型已考虑了钢轨吸振器、板式轨道结构及桥梁间的耦合作用。钢轨吸振器被视为两自由度的质量-弹簧系统,钢轨、轨道板和桥梁被视为多层叠合梁模型,彼此用弹簧阻尼元件联接。利用动柔度函数,得到吸振器-板式轨道-桥梁系统垂向振动响应的解析表达式,并以轮轨表面粗糙度谱作为激励求解模型的振动响应。研究结果表明：钢轨吸振器在180 Hz～300 Hz及700 Hz～1 000 Hz频段内对整个高架轨道系统的位移幅值及相位、振动衰减产生较明显的影响;同时,在轮轨表面粗糙度谱的激励下,带有钢轨吸振器的轮轨系统的轮轨力在pinned-pinned频率处明显减小,在前两阶自振主频附近钢轨吸振器对整个高架轨道系统结构振动的影响较明显。     

水流作用下双圆柱墩混凝土梁桥的动力响应实测与数值模拟

西藏达林大桥为一座7跨桥面连续的混凝土梁桥,下部结构采用双圆柱桥墩。2018年7月,在水流作用下达林大桥桥墩及桥面出现了显著的顺桥向振动。该文报道了水流作用下大桥的动力响应实测与数值模拟研究。实测表明:桥梁顺桥向振动表现为桥梁一阶纵向模态为主的拍振,横桥向为随机微振动;顺桥向最大加速度约为0.08 m/s2,梁端最大位移约为1.56 mm。基于一阶纵向振动模态参数,将双圆柱墩梁桥简化为单自由振动体系,在2 m/s~10 m/s流速范围内(折减流速U_r=1.69~8.45、雷诺数Re=2.6×106~1.3×107)进行了二维流固耦合数值模拟,得到了桥墩双圆柱升阻力系数以及不同结构阻尼比时的涡振响应。并对桥墩振型与水流流速剖面等三维效应进行修正,得到了墩顶位移随流速变化的关系。结果表明:上游柱尾流对下游柱的脉动涡激升力有显著增强作用,在3 m/s~6 m/s流速范围内双圆柱桥墩出现了涡激振动。在考虑三维修正后,ζ=0.01工况下墩顶位移数值模拟结果与实测值较为吻合。随着阻尼比ζ的增加,涡振最大振幅变小,锁定区间基本不变。     

飞机应急着陆时的人体冲击响应研究

摘要：本文针对飞机着陆撞击时人体的冲击响应问题,采用11自由度坐姿人体动力学模型,研究了从座椅到人体关键部位的振动传递率,并计算分析了坐姿人体在受到垂直方向上的冲击激励时的冲击响应。结果表明在飞机着陆撞击过程中,人体的腰椎响应较大,容易造成损伤,座椅对人体的支持刚度在冲击过程中对人体的冲击响应有较大影响,设计适当的座椅支持刚度可以减小人体的冲击响应。     

考虑轨道弹性时机车轮对的纵向振动研究

在电机轴悬式机车-轨道垂向耦合动力学模型的基础上,考虑了机车的纵向运动自由度,通过对比牵引工况下考虑和不考虑轨道弹性时的轮轨作用力及轮对振动加速度,得到了轨道弹性变形对轮对轮轨切向力及其纵向振动的影响规律。研究结果表明,当轮轨界面无不平顺激扰时,考虑或忽略轨道结构的弹性对轮对牵引力的发挥及纵向振动影响不大;在不平顺激扰下,轨道结构参与轮轨间的耦合振动,由于轨道垂向的弹性及阻尼作用,轮轨垂向力特别是高频力得到缓冲及衰减,致使50Hz以上高频段的轮轨切向力及轮对纵向振动变的缓和,利于轮周牵引力的稳定发挥。总体上,分析模型中若不考虑轨道弹性会造成预测的轮轨切向力及轮对振动加速度偏大。     

Research on 4-degree-of-freedom dynamics model of seated human: lumped-parameter model and its application to ride comfort research for automobiles

It is of significance to study the dynamic model of the seated human body, for possibly improving the research and development of dynamics response efficiency of the applications systems of the seated human body. A 4-degree-of-freedom (4DOF) lumped-parameter model was proposed, and the model parameters were identified by utilizing a multi-object function coordinated optimization-based principle. The proposed model was also compared and analyzed with other classical 4DOF lumped-parameter models. A "human-seat-automobile" 7DOF model was further established based on the proposed model. The simulation experiment of the dynamics responses of the seated human body, when the automobile on different road conditions, was conducted, and the root mean square acceleration was used to quantitatively analyze and evaluate the dynamics responses of the seated human. The research results showed that, the non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ (NSGA-Ⅱ) worked effectively for coordinately optimizing the multi objectives of the 4DOF lumped-parameter models. Further, the proposed model can describe the dynamic responses for seated human body more effectively, also can be applied to the research work on riding comfort (driving comfort) of vehicles.     

站姿人体与轻质结构水平耦合振动单自由度等效模型参数研究

给出了一种通过实验获得人与轻质结构水平耦合振动单自由度等效模型参数的方法。首先采用单自由度振动台对人与结构水平方向耦合自由振动位移时程进行测试,然后在推导出振动台水平振动阻尼比计算公式的基础上通过最小二乘法拟合得出人体等效自振频率和等效阻尼比。测试中考虑了人体正面与振动方向夹角分别为0度、45度和90度三种状态以及有无抓握扶手对测试结果的影响。分析结果表明,在结构/人体质量比约为0.25时人体等效自振频率在0.1 Hz~0.48Hz,等效阻尼比在0.05~0.39之间变化,当人双手抓握扶手时等效自振频率和等效阻尼比最大。     

弹性车体垂向运行平稳性一系最优控制研究

采用基于轨道谱及包括轮轴间时延预瞄的最优控制算法,在一系悬挂中加入主动控制,设计其主动控制规律,从降低轨道至车体振动的传递入手,对铁道车辆弹性车体垂向动力学模型进行仿真分析。结果表明,该最优控制算法对车辆系统的振动有较好的抑制作用;可以改善轨道至弹性车体中部的振动加速度传递率,在控制车体刚体振动的同时,也能抑制整车的弹性振动;最优控制算法对车辆系统的1Hz左右的低频振动、以及包含人体垂向振动敏感频域(4Hz-8Hz)的4Hz~10Hz频率内的振动衰减明显,但对车体高频振动作用不大。并与二系主动悬挂系统比较,发现一系主动悬挂能更有效的控制车体的弹性振动,且抑制的频率范围较宽,车辆运行平稳性更佳,为今后弹性车体减振措施选择提供依据。     

成灌快铁线下桥式车站振动噪声实测与分析

以成灌快铁安德站为工程背景开展现场试验,实测了轨道梁、站台、候车大厅和办公室区域的振动加速度和声压,并对实测信号进行时域和频域分析。采用数值方法在频域内分析了轨道梁振动、桥墩动反力、站房振动和室内二次辐射噪声,并将计算结果与实测值进行对比。结果表明：当列车以速度190 km/h通过车站时,轨道梁振动的优势频段为40～80 Hz,竖向振动加速度峰值小于规范限值;办公室和候车大厅地面振动的优势频段为20～100 Hz,振级接近80 dB;站台处、办公室内和候车大厅内噪声的优势频段分别为300～2500 Hz、40～63 Hz和20～100 Hz,办公室内和候车大厅内的低频噪声远远超出身心舒适度限值;桥墩竖向动反力的优势频段为25～63 Hz,是引起办公室和候车大厅地面振动的主要原因;站房–土体耦合有限元模型和内部声辐射边界元模型可以较好地模拟站房振动及二次辐射噪声。     

地铁小半径曲线段上列车车内振动测试与特性

摘 要：在地铁线路中,小半径曲线段的列车振动加速度一般大于同种轨道结构的直线段。为了研究小半径曲线段车内振动的频谱特性,选择了半径为350m的地下隧道区间进行测试,该区间分布着钢弹簧浮置板整体道床、科隆蛋扣件和DT-III型扣件三种轨道结构。分析了双面胶带、螺钉等多种传感器安装方式对测量结果的影响,采用DASP V11软件测量一天中三个不同时段车厢地板垂向和横向振动加速度,并进行Z振级和X振级分析。结果表明：半径为350m的曲线隧道内,钢弹簧浮置板整体道床、科隆蛋扣件和DT-III型扣件三个区段车厢地板振动对应的垂向振级峰值频率分别为8Hz和63Hz,3.15Hz、8Hz和63Hz,50Hz和100Hz;横向振级峰值频率为63Hz,63Hz,50Hz和100Hz;钢弹簧浮置板整体道床段和科隆蛋扣件段车厢地板振动加速度大于普通型扣件段。通过本次测试,为小半径曲线段振动噪声问题提供一些减振降噪措施选择方面的参考,同时为研究小半径曲线段车厢地板振动特性问题提供支持。     

扣件胶垫刚度频变的车/轨耦合系统随机振动虚拟辛分析

运用无穷周期子结构的辛数学方法与虚拟激励法,建立了车辆-轨道垂向耦合随机振动虚拟辛分析模型,并用以探讨扣件胶垫频变刚度对轮轨耦合系统随机振动的影响。研究结果表明:扣件胶垫频变刚度对车体垂向随机振动的影响可忽略不计,但却会改变转向架中高频的垂向随机振动幅值,同时还会显著提高轮对与钢轨的垂向随机振动最大功率峰与其第一主频;轮对垂向随机振动最大功率峰与其第一主频随着扣件胶垫刚度频变幅度或低频初始刚度的增大分别呈波浪式渐增与阶梯式上升的变化趋势;在铁路常用扣件胶垫刚度的变化范围内,轮对垂向随机振动最高功率峰的最大增幅是17.5倍,并且其第一主频的最大增量亦可高达40 Hz。因此,为精确预测车辆转向架、车轮及轮下系统的随机振动频域响应,需综合考虑扣件胶垫的低频初始刚度及其刚度频变幅度。     

考虑车架柔性的刚柔耦合汽车平顺性分析

应用有限元对某SUV轿车车架进行模态分析,在此基础上,基于多体动力学理论应用ADAMS/Car软件建立考虑车架柔性的刚柔耦合整车多体动力学模型。对车身质心垂向加速度、悬架动行程和轮胎动位移进行分析,并与多刚体模型的仿真结果进行比较。研究结果表明：考虑车架柔性的刚柔耦合模型的车身垂直加速度功率谱密度比刚体模型降低14.7 %,悬架动行程增大27.1 %,轮胎动行程减小14.8 %;车架柔性对车身主频影响很小,但对车身20 Hz以上振动频谱影响较大。