計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真法在制定零件安裝力標(biāo)準(zhǔn)上的應(yīng)用研究

許峰

計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真法在制定零件安裝力標(biāo)準(zhǔn)上的應(yīng)用研究

許峰

（上汽通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海 201206）

為減少員工由于長期勞動負(fù)荷造成的累積性損傷，文章針對汽車制造現(xiàn)場的安裝零件，運(yùn)用人因工程學(xué)和人體靜力學(xué)的傳統(tǒng)研究理論并結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真的方法，將汽車零件安裝力開發(fā)方法進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化的研究，大大提升零件安裝力標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)效率和實(shí)施效率，減少現(xiàn)場員工疲勞傷害，提高生產(chǎn)現(xiàn)場人機(jī)交互體驗(yàn)。

人因工程學(xué)；人體靜力學(xué)；計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真法；安裝力標(biāo)準(zhǔn)

1 引言

由于汽車裝配的復(fù)雜性，即使在高度自動化和智能化的現(xiàn)代化汽車工廠，現(xiàn)場員工仍然是必不可少的主要生產(chǎn)勞動力。為減少由于工作負(fù)荷導(dǎo)致的疲勞傷害，各家汽車公司都越來越重視現(xiàn)場的操作環(huán)境，工作重心漸漸從汽車研究轉(zhuǎn)移到人與汽車交互，這不僅僅是客戶與汽車的交互，更有生產(chǎn)現(xiàn)場員工和汽車裝配的交互。

人因工程學(xué)既是運(yùn)用在汽車開發(fā)過程中的一種理念，更是一種系統(tǒng)的評價(jià)方法。包含面向產(chǎn)品客戶使用和制造過程評審的兩個(gè)領(lǐng)域。

人因工程學(xué)（Human Factors Engineering）是研究人，機(jī)器及其工作環(huán)境三者之間相互關(guān)系的學(xué)科，是近幾十年來發(fā)展起來的一門邊緣性應(yīng)用科學(xué)。該學(xué)科的發(fā)展過程中有機(jī)地融合了生理學(xué)，心理學(xué)，醫(yī)學(xué)，衛(wèi)生學(xué)，人體測量學(xué)，勞動科學(xué)，系統(tǒng)工程學(xué)，社會學(xué)和管理學(xué)等學(xué)科的知識和成果，形成了自身的理論體系，研究方法，標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，研究和應(yīng)用范圍廣泛并具有綜合性[1]。

本文依據(jù)人因工程學(xué)傳統(tǒng)研究方法，結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真法，對汽車制造過程中人工安裝的零部件安裝力標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)研究，開發(fā)出一種用于制定汽車零件安裝力標(biāo)準(zhǔn)研究的方法。

2 制定安裝力標(biāo)準(zhǔn)的一種研究方法

人因工程學(xué)研究中，目前的研究常用方法有以下幾種：觀察法、實(shí)測法、實(shí)驗(yàn)法、模擬和模型試驗(yàn)法、計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真法、分析法。

本文的研究方法是基于計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真法。這是指在計(jì)算機(jī)上利用的數(shù)學(xué)的模型進(jìn)行仿真性試驗(yàn)研究。研究者可對尚處于設(shè)計(jì)階段的未來系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并就系統(tǒng)中的人，機(jī)，環(huán)境三要素的功能特點(diǎn)及其相互間的協(xié)調(diào)性進(jìn)行分析，從而預(yù)知所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能，并改進(jìn)設(shè)計(jì)[2]。

隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的發(fā)展，使用計(jì)算機(jī)仿真建模的方法，通過搜集人體數(shù)據(jù)和搭建仿真環(huán)境，可以更快地模擬現(xiàn)場員工操作姿勢來分析人體施力情況，將操作姿勢下所能承受的最大力作為安裝力標(biāo)準(zhǔn)，減少安裝力問題導(dǎo)致的疲勞傷害。

2.1 應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真法建立安裝力標(biāo)準(zhǔn)具體步驟

如圖1所示：

圖1 建立安裝力標(biāo)準(zhǔn)步驟圖

2.1.1搜集人體數(shù)據(jù)

《中國成年人人體尺寸》（GB/T 10000-1988）是我國成年人1987年7月開始實(shí)施人體尺寸國家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)為人因工程學(xué)提供了我國成年人人體尺寸的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，它適用于工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，建筑設(shè)計(jì)，軍事工業(yè)，以及工業(yè)的技術(shù)改造，設(shè)備更新和勞動安全保護(hù)等領(lǐng)域。下表為年齡范圍18~60歲男性和女性的人體各尺寸數(shù)據(jù)，包含身高，體重，上臂長，前臂長，大腿長，小腿長，手掌等人體主要尺寸[2]：

表1 人體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為了分析現(xiàn)場所有員工且包含部分女性員工，在選取施力模型時(shí)，應(yīng)將較惡劣情況考慮在內(nèi)以滿足所有人的要求。當(dāng)然在選擇模型時(shí)也可以根據(jù)自身工況選擇適合自己的人體模型。

人類的身體在承受勞動后會產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致工作能力減弱和工作效率降低。原因就是肌肉在工作過程中產(chǎn)生的代謝物（如乳酸）會不斷產(chǎn)生和積累。所以讓肌肉合理的休息是消除疲勞非常重要的途徑。在平時(shí)工作中要盡量減少肌肉承受壓力并盡量減少作用時(shí)間。依據(jù)人體靜力學(xué)研究，人體在向外施力時(shí)肌肉會產(chǎn)生收縮，每一條肌纖維所產(chǎn)生的力（肌力）為30~40N/cm2，一個(gè)人所產(chǎn)生的肌力由每個(gè)人的肌肉橫截面積所決定，目前普遍人體各部位肌肉所能承受的最大力如表所示：

表2 人體各部位最大肌肉承受力（單位：N）[3]

根據(jù)人體靜力學(xué)理論，人類的運(yùn)動過程就是一個(gè)骨骼在肌肉拉力作用下的杠桿運(yùn)動，有些是省力杠桿，比如走路的運(yùn)動；有些是平衡杠桿，比如頭部的運(yùn)動；有些是速度杠杠，如跑步的運(yùn)動；汽車工廠內(nèi)，員工更多的是立姿狀態(tài)下的上肢的運(yùn)動[4]。如下圖所示：

圖2 力姿狀態(tài)下的手臂伸直最大操作力

通過上圖，可以根據(jù)所選取的模型體重得到伸直手臂下的操作力。

當(dāng)人體伸直手臂在最下方和最上方位置時(shí)操作力最大，在垂直身體時(shí)操作力最小。但是更多時(shí)候，現(xiàn)場的操作手勢不會總是伸直手臂的狀態(tài)下進(jìn)行，人體施力的過程可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)靜力學(xué)的杠桿模型，包含手臂，腰部，腳部等[5]，如下圖所示：

圖3 人體各條件受力圖

當(dāng)有外力進(jìn)入時(shí)候，人體的姿勢就會發(fā)生改變，杠桿的平衡條件為所有外力與人體骨骼所形成的杠桿力的矢量和為0，力矩代數(shù)和為0，以手臂受力分析為例：

圖4 人體手臂受力圖∑F*L1=∑P*L2

其中，支點(diǎn)為肘部O點(diǎn)，F(xiàn)為肌肉所能施加的力，L1為上臂所的力臂，P為施力的大小，L2為前臂的力臂。

采取現(xiàn)場影像和預(yù)設(shè)的模型及根據(jù)現(xiàn)場員工的姿態(tài)獲得骨杠桿各項(xiàng)參數(shù)即可計(jì)算出該姿態(tài)下手部所能承受的最大力值。

2.1.2確定研究對象

汽車制造過程中會有成千上萬的零件在工廠內(nèi)安裝，為了循序漸進(jìn)式地開發(fā)制定安裝力標(biāo)準(zhǔn)，首先需要選取研究對象。選取的方式有以下幾種：

（1）歷史問題梳理

針對歷史上發(fā)生過安裝力超標(biāo)的問題零件，選取發(fā)生頻次較高的零件作為優(yōu)先研究的對象。

（2）現(xiàn)場調(diào)查

如果沒有歷史問題記錄，可以通過問卷形式進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，通過現(xiàn)場反饋確定研究對象。

（3）處于極限姿態(tài)的安裝操作

根據(jù)人體測量的常用功能尺寸，立姿狀態(tài)下雙手舉高最小高度為1845mm，坐姿上肢前伸長最大為607mm，對于安裝零件超過這兩個(gè)距離的同樣可以優(yōu)先作為研究對象。

選取對象重要的原則還是基于對目前狀態(tài)的識別，必須從現(xiàn)場出發(fā)，有針對性地制定研究對象并進(jìn)行改善。

2.1.3確認(rèn)工況條件

研究對象確定后，需要確認(rèn)研究對象的安裝方式，工藝環(huán)境等工況條件。下面以汽車零部件安裝的工況作為例子：

（1）安裝過程中使用單手掌進(jìn)行施力；

（2）施力過程是線性力（施力方向和零部件安裝方向相同）；

（3）施力高度（在通常情況下，同一個(gè)零部件施力點(diǎn)超過200mm高度差就需要設(shè)定2個(gè)安裝力標(biāo)準(zhǔn)）；

（4）施力次數(shù)不大于零部件連接點(diǎn)的數(shù)量（確保施力點(diǎn)都在連接點(diǎn)中心位置）。

以上工況條件都是基于現(xiàn)場情況所列舉的一些限制條件，如果有些零部件安裝需要借助工裝和工具，安裝力標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)候需要將這些因素考慮在內(nèi)。這些限制條件是根據(jù)各自所處操作環(huán)境來進(jìn)行約束，以最大限度保證標(biāo)準(zhǔn)在適合工況的狀態(tài)下實(shí)施。

條件限制除了為制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)提供約束外，也是運(yùn)用仿真軟件搭建仿真模型時(shí)候的輸入條件之一。

2.1.4仿真建模

由于汽車單個(gè)零件會有多個(gè)安裝點(diǎn)和不同安裝高度，為避免以上繁瑣的模型建立和數(shù)據(jù)計(jì)算，借用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真方法可以更快地模擬人體施力情形，制定零部件安裝力標(biāo)準(zhǔn)。

目前運(yùn)用較多的人因工程仿真軟件為JACK軟件，JACK軟件最初是由賓夕法尼亞大學(xué)的人體模型和模擬中心開發(fā)，現(xiàn)在是西門子PLM平臺的一款軟件。使用JACK可以快速地創(chuàng)建一個(gè)虛擬的環(huán)境和人體模型，幫助各行業(yè)的組織提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工效學(xué)因素和改進(jìn)車間人因工程狀態(tài)。然后將人體模型放入環(huán)境中進(jìn)行分析人體在執(zhí)行任務(wù)過程中所產(chǎn)生的人因工程風(fēng)險(xiǎn)，使設(shè)計(jì)部門設(shè)計(jì)更安全，更符合人體工程學(xué)的產(chǎn)品[6]。

下面簡述使用仿真軟件的建模過程：

首先打開JACK軟件，在菜單欄的Human創(chuàng)建人體模型，可以進(jìn)行第一步中的人體書搜集，軟件中已經(jīng)包括人體模型的類型，身高，體重和國家。如下圖所示：

圖5 JACK軟件操作界面

安裝對象選取汽車上中央通道的側(cè)飾板，此零件通常有3個(gè)安裝點(diǎn)（A，B，C），2種安裝高度（350±50mm and 700± 50mm），所以需要設(shè)定兩種安裝力標(biāo)準(zhǔn)。

將選取人體模型和工藝環(huán)境導(dǎo)入JACK軟件，通過仿真軟件搭建現(xiàn)場的工藝環(huán)境。由于此零件有兩種施力高度，需要對兩種工況進(jìn)行建模和仿真，基于不同的施力高度和操作姿態(tài)可以獲得下圖的靜態(tài)仿真模擬：

圖6 靜態(tài)仿真模擬圖

2.1.5標(biāo)準(zhǔn)制定

運(yùn)用JACK軟件中的ForceSolver工具可以快速獲得人體模型不同姿態(tài)下的施力情況，如下圖：

圖7 JACK ForceSolver界面圖

模擬人體模型在不同點(diǎn)和不同高度下最大施力值，計(jì)算結(jié)果如下表所示：

表3 中央通道最大施力值

結(jié)果顯示：當(dāng)安裝點(diǎn)高度為600±50時(shí)候，最大施力為48N，安裝高度為900±50mm時(shí)候，最大施力為68N，判斷零部件是否存在安裝困難就可以運(yùn)用48N和68N作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行衡量并加以改進(jìn)。

運(yùn)用以上方法可以制定汽車制造過程中一類零件的安裝力標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

本文運(yùn)用人因工程學(xué)的方法設(shè)計(jì)結(jié)合人因工程的仿真軟件，介紹了一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真法定義汽車零件的安裝力標(biāo)準(zhǔn)的方法，但其實(shí)對于這種設(shè)計(jì)方法，并不僅限于汽車行業(yè)，可以說任何與人因工程安裝力相關(guān)的課題都可以運(yùn)用這種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。隨著科學(xué)技術(shù)逐步發(fā)展，人類在生產(chǎn)制造活動中的參與度越來越低，但很多精密操作依然離不開人類的大腦和雙手，而運(yùn)用人因工程學(xué)的理念和方法可以更好地在前期對生產(chǎn)制造過程中可能產(chǎn)生的人因工程問題進(jìn)行最大程度的識別和避免。如何減少人類在生產(chǎn)制造中的對人體的影響，將科技以人為本的理念發(fā)揮，成為各行各業(yè)所要思考的問題。

[1] 薛偉,蔣祖華.工業(yè)工程概論[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015.7.

[2] GB/T 10000-1988,中國成年人人體尺寸.

[3] Wera Eugene.Human Engineering:A study of the management of Human Forces in Industry [M].USA:Nabu Press.2010.02.

[4] 郭伏,錢省三.人因工程學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2018.7.

[5] 丁玉蘭.人因工程學(xué)[M].上海:交通大學(xué)出版社. 2004.

[6] 鈕建偉.張樂.Jack人因工程基礎(chǔ)及應(yīng)用實(shí)例[M].北京:電子工業(yè)出版社.2012.6.

Research on the application of computer numerical simulation in establishing force standard of part

Xu Feng

( SAIC GENERAL MOTOR, Vehicle Manufacturing Engineering Department, Shanghai 201206 )

In order to reduce CTDs(Cumulative Trauma Disorders) that caused by long-term workload in production site, we apply traditional research theory of human factors engineering, human statics and computer simulation for the standard process of developing installing force standard, which greatly improve the efficiency of the development and implement of the standard to reduce the injury and improve the human-machine interaction experience in production site.

Human factors; Human statics; Computer simulation; Force standard

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.023

U461.99

A

1671-7988(2021)06-73-04

U461.99

A

1671-7988(2021)06-73-04

許峰，男，畢業(yè)于上海大學(xué)工業(yè)工程專業(yè)，現(xiàn)任上汽通用汽車有限公司整車制造工業(yè)工程師，熟悉整車開發(fā)流程，產(chǎn)品同步開發(fā)工藝，負(fù)責(zé)現(xiàn)場人員編制及管理，工廠效率指標(biāo)評價(jià)，新產(chǎn)品前期產(chǎn)品優(yōu)化等。