基于CATIA人機(jī)工程學(xué)的客室扶手設(shè)計(jì)方法 ①

王健男

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 檢修服務(wù)事業(yè)部,山東 青島 266000)

0 引 言

在工程設(shè)計(jì)中，CATIA軟件除了2D/3D工程設(shè)計(jì)、仿真分析、模擬制造之外，人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與分析模塊也是極具特色的一部分。在工業(yè)產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)中，可以采用人機(jī)工程學(xué)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的人機(jī)交互的仿真模擬與產(chǎn)品驗(yàn)證。

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，城市化進(jìn)程日益加快，在此大背景下，為加強(qiáng)附近城市間的聯(lián)絡(luò)，方便周邊地區(qū)之間的跨市出行和人文交流，具有快速、便捷、安全、環(huán)保節(jié)能特點(diǎn)的城際鐵路應(yīng)運(yùn)而生。作為城際鐵路的重要載體之一的城際列車具有載客量大、適應(yīng)頻繁啟停等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此不同于高速動(dòng)車組列車，允許乘客在車廂中站立運(yùn)營(yíng)，故而在內(nèi)裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為站立乘客設(shè)置合理的扶手是必不可少的。扶手的高度及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)系到乘客的舒適性和安全性。扶手橫桿太高部分乘客夠不到扶手，或身體處于極度拉伸狀態(tài)；扶手橫桿太低可能導(dǎo)致乘客碰頭，給乘客的安全和健康造成隱患。

以城際動(dòng)車組客室扶手設(shè)計(jì)為例，借助CATIA人機(jī)工程學(xué)模塊，對(duì)理論計(jì)算所得的扶手高度進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)分析，以驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性。

1 人機(jī)工程學(xué)在扶手設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

軌道交通車輛用客室扶手主要包括：門立罩扶手、座椅區(qū)扶手、中部立柱(包含橫桿及吊環(huán))、通過(guò)臺(tái)扶手、多功能區(qū)扶手，扶手材質(zhì)通常選用06Cr19Ni10不銹鋼材質(zhì)，符合GB/T14975-2012《結(jié)構(gòu)用不銹鋼管標(biāo)準(zhǔn)》要求，該合金鋼抗拉強(qiáng)度≥520MPa，屈服強(qiáng)度≥210MPa，具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強(qiáng)度和機(jī)械特性。扶手用裝飾蓋、三通及立柱用管座采用ZG07Cr19Ni9不銹鋼材質(zhì)，材料成分及機(jī)械性能應(yīng)滿足GB/T2100-2002《一般用途耐蝕鋼附件標(biāo)準(zhǔn)》要求。扶手鋼管相關(guān)尺寸為：外直徑Φ35mm，壁厚2.5mm；扶手表面采用拉絲、電泳、電解鈍化等處理。扶手及其附件和相連接的結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠承受一定的靜態(tài)載荷和由車輛加速度引起的疲勞載荷，扶手立柱及其附件和相連接的結(jié)構(gòu)也應(yīng)能夠承受一定的動(dòng)態(tài)載荷，而不產(chǎn)生永久變形或功能喪失等現(xiàn)象。同時(shí)應(yīng)有足夠的剛度，以保證在一定的載荷作用下，不會(huì)產(chǎn)生斷裂而傷及乘客。其中，每個(gè)立柱組件與車體進(jìn)行連接，應(yīng)能承受車體及乘客施加到立柱上的不小于125kg的靜載荷，承受不小于30kg,150萬(wàn)次應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的疲勞載荷，無(wú)緊固件脫落、零部件斷裂及永久變形產(chǎn)生；每個(gè)橫桿與車體進(jìn)行連接，應(yīng)能承受車體及乘客施加到扶手上的不小于150kg的靜載荷,承受不小于45kg,150萬(wàn)次應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的疲勞載荷，無(wú)緊固件脫落、零部件斷裂及永久變形產(chǎn)生。

扶手安裝時(shí)，常以車內(nèi)地板布上表面、客室窗口尺寸及車體縱向中心線作為定位尺寸，下部與提前安裝在內(nèi)裝地板上的扶手安裝座以緊固件連接，上部及側(cè)面借助車體車頂或車體側(cè)墻焊接滑槽以緊固件相連，緊固點(diǎn)內(nèi)藏于內(nèi)裝頂板及地板布下方，緊固件不易松動(dòng)且確保了乘客可視界面的美觀。安裝完成后應(yīng)保證立柱的垂直度，及立柱間的平面度，安裝結(jié)構(gòu)如圖1。

1.1 人體百分位數(shù)及其選擇

城際動(dòng)車組地板布面距頂板高度尺寸一般為2210mm,在此工況下，參考GB/T10000-1988《中國(guó)成年人人體尺寸》標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)用于列車室內(nèi)扶手的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中選用的是第5,50,95百分位數(shù)，三個(gè)百分位數(shù)對(duì)應(yīng)的尺寸分別代表有5%,50%,95%的人群人體尺寸小于此值。由GB/T10000-1988《中國(guó)成年人人體尺寸》可得到以下表中基本數(shù)據(jù)：

表1 中國(guó)成年人人體基本尺寸(單位：mm)

根據(jù)尺寸的性質(zhì)，在客室扶手設(shè)計(jì)中，為了盡可能的滿足較多人的需要，尺寸數(shù)據(jù)以第5,95百分位數(shù)為主要參考值。

1.2 扶手橫桿高度設(shè)計(jì)尺寸的計(jì)算

除了以上數(shù)據(jù)，在扶手橫桿高度設(shè)計(jì)中還需考慮一定的修正量，即由著裝和姿態(tài)不同導(dǎo)致的修正值。一般男性鞋跟按15mm計(jì)算，女性鞋跟按30mm計(jì)算。從抓握舒適度上講，垂直抓握是舒適度較差的一種抓握方式，手臂應(yīng)當(dāng)有一定的角度彎曲，即握高應(yīng)降低70mm左右(從實(shí)際情況來(lái)講，手的高度越低，人體舒適度越高)。因此可得出設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算公式：

部件最佳設(shè)計(jì)尺寸=人體尺寸百分位數(shù)+修正量。

扶手橫桿高度設(shè)計(jì)除了考慮抓握高度(G)之外，還需驗(yàn)證頭部碰觸高度(T)。即扶手橫桿設(shè)計(jì)高度要處于T與G之間，抓握方便的同時(shí)也不妨礙乘客的走動(dòng)。橫桿合理高度應(yīng)不大于第5百分位數(shù)抓握高度,且不小于第95百分位數(shù)的頭部碰觸高度，即T95≤H≤G5。

根據(jù)以上表格及公式可得到每個(gè)百分位數(shù)的最佳設(shè)計(jì)尺寸：

男性：

G5=1869+15-70=1814 T5=1583+15=1598

G50=1993+15-70=1938 T50=1678+15=1693

G95=2101+15-70=2046 T95=1775+15=1790

女性：

G5=1740+30-70=1700 T5=1484+30=1514

G50=1838+30-70=1798 T50=1570+30=1600

G95=1943+30-70=1903 T95=1659+30=1689

男性：T95=1790≤H≤G5=1814

女性：T95=1689≤H≤G5=1700

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可見(jiàn)，男性與女性乘客之間不存在交集，扶手設(shè)計(jì)不存在一個(gè)共同值，所以需設(shè)置不同的扶手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)解決通用性問(wèn)題。借鑒公交車或地鐵車內(nèi)扶手形式，可采用立柱、橫桿、吊環(huán)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)方式。橫桿高度設(shè)計(jì)為1790mm～1810mm之間，可滿足95%男性乘客抓握，同時(shí)保證95%的男性和近100%的女性乘客不碰頭；吊環(huán)高度設(shè)計(jì)為1690mm～1700mm之間，可滿足95%的女性乘客抓握(若設(shè)計(jì)為1665mm，幾乎可滿足100%成年人抓握，推理同上)；另外，在客室內(nèi)設(shè)計(jì)一定量的立柱等扶手，可為身材矮小的乘客抓握，從而保證站立乘客均有可抓扶的扶手。

圖2 站立乘客人機(jī)分析

2 CATIA人機(jī)工程學(xué)分析

2.1 CATIA扶手與人體模型建模

本文中扶手設(shè)計(jì)高度分別采用1800mm(橫桿)和1665mm(吊環(huán))，三維建模效果如圖3：

(a)

CATIA人體工程學(xué)設(shè)計(jì)與分析模塊中，可通過(guò)設(shè)置人體性別、身高或百分位數(shù)，生成人體模型。

(a)

(a)

如圖4，在“Manikin”選項(xiàng)中，選擇父產(chǎn)品(即要插入的位置)，輸入模型名稱，選擇性別，選擇百分位數(shù)；在“Optional”選項(xiàng)中選擇國(guó)度，模型部位，參考位置；點(diǎn)擊確定即可生成人體模型

按照前文中分析加載出三個(gè)人體模型：一號(hào)模型，男性，身高1775mm；二號(hào)，男性，身高1583mm；三號(hào)：女性，身高1484mm。

2.2 CATIA模擬驗(yàn)證

將以上三個(gè)模型加載到組件模型中，對(duì)人體模型進(jìn)行腳跟以及手臂的調(diào)整，通過(guò)設(shè)置腳踝的角度，調(diào)整男/女模型足跟距地板面直徑距離分別為15mm/30mm，調(diào)整手臂關(guān)節(jié)的角度可直觀顯示人體抓握扶手的實(shí)際情況。

由CATIA人機(jī)工程學(xué)模塊中可以觀察并測(cè)量出，一號(hào)人體模型頭部與扶手橫桿間仍存有一定的空間，這樣可以確保絕大部分人站立乘車時(shí)，頭部與扶手橫桿無(wú)磕碰風(fēng)險(xiǎn)，二號(hào)與三號(hào)人體模型也可在扶手橫桿與吊環(huán)之間選擇合適的抓握方式，并且手臂形成一定的角度，具有較好的舒適性。若有孩童或身高較矮的站立乘客可以抓握立桿，由此可知，通過(guò)理論計(jì)算并借助CATIA人機(jī)工程學(xué)模塊而設(shè)計(jì)的扶手高度是合理并滿足大部分人需求的。

3 結(jié) 論

通過(guò)以上分析可以看出，借助CATIA的人機(jī)工程模塊可以較為直觀的觀察或測(cè)量人與產(chǎn)品之間的關(guān)系，從而反映出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性，并幫助設(shè)計(jì)師進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，并最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的，便于大部分站立乘客抓握扶手。CATIA的人機(jī)工程模塊可廣泛應(yīng)用于動(dòng)車組、地鐵等乘客界面產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)效果。