基于離散元的不平整路面人體感受仿真分析

周長(zhǎng)紅，張苗苗，劉入嘉，史　琦

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部交通運(yùn)輸學(xué)院)

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基于離散元的不平整路面人體感受仿真分析

周長(zhǎng)紅，張苗苗，劉入嘉，史琦

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部交通運(yùn)輸學(xué)院)

摘要：車輛乘坐舒適度是道路結(jié)構(gòu)研究的重要課題。車輛在路面上行駛時(shí)，路面不平整會(huì)引起車輛的振動(dòng)，而車輛的振動(dòng)會(huì)對(duì)乘坐者產(chǎn)生心理和生理影響。該文不同于以往采用剛體動(dòng)力學(xué)的方法，利用離散元的數(shù)值計(jì)算模擬方法，建立人-車-路模型，通過路面隨機(jī)不平整度的激勵(lì)來考察人體舒適度的等級(jí)問題。經(jīng)過計(jì)算分析，得出在不同地形條件，不同座位處的人體加速度。該模型的提出對(duì)人車路系統(tǒng)相互間的力學(xué)作用研究提供一種新思路。

關(guān)鍵詞：路面不平整度；離散元；人體加速度；人體舒適度

隨著高速公路網(wǎng)建設(shè)的迅猛發(fā)展,路面不平整度對(duì)人體與車輛的動(dòng)力作用及車輛乘坐舒適度問題是一個(gè)重要的研究課題。同時(shí)，隨著人們生活水平的大幅度提高，人體舒適性問題越來越受到人們的關(guān)注。本著“以人為本”的重要思想，有必要研究車輛振動(dòng)對(duì)乘坐者舒適度的影響，但是從目前來看，對(duì)車輛乘坐舒適性的研究還很有限，一般通過車輛振動(dòng)加速度間接對(duì)人體舒適度進(jìn)行評(píng)價(jià)，而在現(xiàn)階段車輛乘坐舒適度研究中往往通過構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型近似對(duì)人體的豎向加速度進(jìn)行計(jì)算。而在實(shí)際情況中，人在行駛的車輛中由于道路振動(dòng)的原因總是有“凌空”的趨勢(shì)，人車關(guān)系實(shí)際上屬于非連續(xù)力學(xué)問題，在這種情況下應(yīng)用傳統(tǒng)方法來計(jì)算顯然有很多不足。

近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真研究法得到了廣泛的應(yīng)用,采用數(shù)值分析理論對(duì)人車系統(tǒng)進(jìn)行研究有重要的意義。離散元法作為一種專門用來解決不連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方法，在巖土工程，制藥和環(huán)境等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但目前，少有利用離散元法來解決交通工程問題的研究，然而人體的力學(xué)性質(zhì)是十分復(fù)雜的，個(gè)體間也往往存在較大差異，利用離散元方法能很好的彌補(bǔ)目前多體動(dòng)力學(xué)模型的不足，在研究路面不平整度控制、車輛結(jié)構(gòu)、車輛減震措施、乘客安全方面有較多優(yōu)勢(shì)。本文就是基于這種目的而開展的，實(shí)踐證明該方法有效可行、創(chuàng)新性顯著。

1離散元仿真模型

1.1　車輛模型

針對(duì)車輛在路面上行駛的實(shí)際情況，利用pfc3D軟件建立了公交車模型。模擬的車輛為大連市新引進(jìn)使用的“解放混合動(dòng)力城市CA6126SH8”型公交車。建立的離散元模型外形尺寸：12.0×2.55m，整備質(zhì)量：11 374kg，輪胎數(shù)：4，軸數(shù)：2，軸高：0.75m，額定座位數(shù)：33。

1.2　人-車-路系統(tǒng)模型

(1)利用離散元顆粒流程序通過FISH語言建立整車模型，該模型按如下方法定義: ①單個(gè)輪軸及兩側(cè)輪轂輪胎定義為一個(gè)Clump(塊)，前后軸共兩個(gè)Clump；②車身和座椅定義為一個(gè)Clump體;③單個(gè)人體作為單個(gè)Clump，全車共33個(gè)。

(2) 利用離散元顆粒流程序通過FISH語言建立路面模型，路面由四個(gè)與輪胎相接觸的wall(墻體)組成，通過對(duì)wall分別施加隨時(shí)間變化的路面不平整位移激勵(lì)，模擬車輛在實(shí)際路面上的運(yùn)行情況。

1.3　路面不平整度的模擬

利用Matlab生成隨機(jī)數(shù)的方法模擬不平整路面的樣本值，建立坑槽、減速帶和混凝土板間高差等特殊地形的不平整度發(fā)生函數(shù)，以及基于均方差控制的隨機(jī)不平整度生成的模型；為防止位移點(diǎn)速度的突變，位移樣本值由三次樣條函數(shù)擬合。圖1為隨機(jī)生成的不平整度數(shù)據(jù)。

圖1　隨機(jī)生成的不平整數(shù)據(jù)

2人車耦合振動(dòng)乘坐舒適度評(píng)價(jià)

設(shè)定公交車輛以40km/h時(shí)速通過，可以得到隨機(jī)不平整度方差為0.002條件下的人體加速度，如圖2；水泥混凝土相鄰板高差分別為2mm和4mm車速為40km/h時(shí)人體加速度，見圖3、圖4；另外，針對(duì)公交車以5km/h通過5cm減速帶時(shí)人體加速度，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖2　隨機(jī)不平整度中間座位處人體加速度

圖3　水泥混凝土相鄰板高差2 mm前部座位處人體加速度

圖4　水泥混凝土相鄰板高差4 mm前部座位處人體加速度

圖5　高差5 cm減速帶后部座位處人體加速度

利用上述人車路模型和生成的地面起伏數(shù)據(jù)，通過計(jì)算可以獲得不同地形、不同車輛位置下的人體加速度變化的均值、方差等數(shù)據(jù)，并獲得相應(yīng)的人體感受程度。由于結(jié)果數(shù)據(jù)較多，此處僅例舉幾個(gè)典型的情況。

對(duì)不同座位，不同的地形條件的數(shù)據(jù)經(jīng)整理后得到表1。

表1不同座位，不同的地形條件的人體舒適度評(píng)價(jià)

路面狀況加速度均方值/(ms-2)第1排左第1排右中間座位左中間座位右最后一排左最后一排右乘坐舒適度評(píng)價(jià)隨機(jī)平整度σ=0.00120.080.080.080.080.070.07沒有不舒適混凝土相鄰板高差ΔH=2mm0.950.950.920.920.880.88不舒服混凝土相鄰板高差ΔH=4mm1.631.631.591.591.521.52相當(dāng)不舒服ΔH=50mm減速帶1.641.641.601.601.511.51相當(dāng)不舒服

本文主要利用人體所受到的加速度均方差值評(píng)價(jià)乘坐舒適度。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2。

表2　人體加速度均方差與人體感受的關(guān)系

從上面的表格中可以看出人體乘坐加速度與座位呈現(xiàn)前部位置人體加速度均方差較大，后部位置人體加速度均方差較小的趨勢(shì)。

3結(jié)論

本文的研究將建立合理的人體舒適度評(píng)價(jià)系統(tǒng)，隨著研究深入和測(cè)試手段的進(jìn)步以及路面平整度理論模型的完善，路面平整度與人體舒適度評(píng)價(jià)將更加緊密地結(jié)合，這是路面平整度評(píng)價(jià)指標(biāo)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

不同于傳統(tǒng)的構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型的方法，本文通過離散元的數(shù)值模擬方法，建立人-車-路模型，通過路面隨機(jī)不平整度的激勵(lì)來對(duì)人體舒適度的影響進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，很好的反映了在實(shí)際運(yùn)行車輛中的人體感受，為路面不平整度理論的研究提供了一種新思路。同時(shí)可以通過隨機(jī)路面不平整度數(shù)據(jù)的隨機(jī)生成，實(shí)現(xiàn)模擬具有路面破損或具有特殊凹陷或凸起路面的真實(shí)效果，在改善車輛結(jié)構(gòu)和安全措施方面具有較高的應(yīng)用價(jià)值。結(jié)果表明人體乘坐舒適度與不同的地形、座位位置密不可分，表現(xiàn)出隨機(jī)不平度情況下人體加速度均方差極小而在減速帶情況下相對(duì)很大，在車輛后部加速度均方差偏小而前部偏大的現(xiàn)象。

然而，本文方法還具有變量單一，數(shù)據(jù)偏少的問題，為了進(jìn)一步驗(yàn)證本模型的準(zhǔn)確性和可靠性，我們還需研究車輛各參數(shù)對(duì)人體感受的影響，從而進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，為進(jìn)行乘坐舒適性的車輛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：周長(zhǎng)紅，男，講師，研究方向：路面材料微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)行為分析。

收稿日期：2014-10-30

中圖分類號(hào)：U416.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1008-3383(2015)08-0008-02