ADAMS在座椅系統(tǒng)舒適性研究中的應(yīng)用

1、ADAMS在座椅系統(tǒng)舒適性研究中的應(yīng)用黃斌 蔣祖華 蔡洪上海交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院CIM研究所摘 要：本文利用ADAMS/VIEW提供的虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工具對(duì)公交車(chē)駕駛員座椅進(jìn)行動(dòng)態(tài)舒適性的研究。經(jīng)過(guò)座椅系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算得出的加速度加權(quán)均方根值為0.7554m/s2小于客車(chē)駕駛員座椅的動(dòng)態(tài)舒適性指標(biāo)1.12 m/s2允許值。物理實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這個(gè)結(jié)論。這說(shuō)明：基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)仿真模型的虛擬樣機(jī)技術(shù)可以代替或部分代替物理樣機(jī)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測(cè)試和評(píng)估，從而達(dá)到縮短開(kāi)發(fā)周期、降低成本、改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的。1引言虛擬樣機(jī)技術(shù)是基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)仿真模型的數(shù)字化開(kāi)發(fā)方法。它涉及多體動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

2、理論及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)，是基于先進(jìn)的建模技術(shù)、多領(lǐng)域仿真技術(shù)、信息管理技術(shù)、交互式用戶(hù)界面技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的綜合應(yīng)用技術(shù)。利用虛擬樣機(jī)可以代替或部分代替物理樣機(jī)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測(cè)試和評(píng)估，縮短開(kāi)發(fā)周期、降低成本、改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高面向客戶(hù)和市場(chǎng)需求的能力。ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）軟件是廣泛使用的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件。用戶(hù)可以利用ADAMS軟件建立并且測(cè)試虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上仿真復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能。我們?cè)趪?guó)家863資助的有關(guān)客車(chē)的項(xiàng)目中，應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)公交車(chē)的駕駛員座椅進(jìn)行動(dòng)態(tài)舒適性的分析。

3、2研究意義汽車(chē)乘坐舒適性是汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的重要問(wèn)題。汽車(chē)乘坐舒適性包括靜態(tài)舒適性和動(dòng)態(tài)舒適性，前者主要與尺寸參數(shù)、表面質(zhì)量、調(diào)節(jié)特性等有關(guān)，后者則主要與振動(dòng)特性有關(guān)。本文只討論動(dòng)態(tài)舒適性問(wèn)題。汽車(chē)座椅是人體與汽車(chē)直接接觸的部件，在路面激勵(lì)下其動(dòng)態(tài)性能直接影響人體對(duì)乘坐舒適性的評(píng)價(jià)。汽車(chē)振動(dòng)系統(tǒng)主要有輪胎、汽車(chē)懸架和座椅三個(gè)減振環(huán)節(jié)，為了降低傳遞到人體的振動(dòng)程度、提高舒適性，人們選用彈性合理的輪胎，精心設(shè)計(jì)汽車(chē)底盤(pán)及懸架系統(tǒng)。研究表明：輪胎氣壓降低，減少輪胎垂直剛度，有利于提高汽車(chē)平順性，但輪胎氣壓的降低會(huì)增加輪胎變形，這就減少了使用壽命；對(duì)汽車(chē)懸架系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，適當(dāng)降低懸架剛度、增加阻尼，有利于提

4、高汽車(chē)平順性，但是懸架、阻尼的改變會(huì)影響操縱穩(wěn)定性和制動(dòng)穩(wěn)定性，而這些性能與懸架參數(shù)的要求是互相矛盾的，改動(dòng)余地很?。幌啾戎?，座椅動(dòng)態(tài)參數(shù)的改變對(duì)汽車(chē)的其他使用性能沒(méi)有影響1。傳統(tǒng)的研究方法是通過(guò)制造物理樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果修正座椅的幾何參數(shù)、物理參數(shù)等，再進(jìn)行反復(fù)多次的試驗(yàn)，得到符合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)舒適性標(biāo)準(zhǔn)的座椅。很顯然，這項(xiàng)工作是費(fèi)時(shí)費(fèi)力的，我們利用ADAMS軟件對(duì)座椅進(jìn)行建模和分析，大大地節(jié)省了時(shí)間和成本。3研究方法31 汽車(chē)座椅乘坐動(dòng)態(tài)舒適性評(píng)價(jià)方法在平順性研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的工作，制定了幾個(gè)較有影響的客觀(guān)物理量評(píng)價(jià)方法2：乘坐舒適性系數(shù)法；吸收功率法；單一的不舒適性指

5、數(shù)法；總體乘坐值法；國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631標(biāo)準(zhǔn)。1974年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織正式公布了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631“人體承受全身振動(dòng)評(píng)價(jià)指南”，1978年對(duì)ISO26311974作了一些編輯修改后再次公布為ISO26311978，它得到了許多國(guó)家的承認(rèn)，并成為汽車(chē)行業(yè)汽車(chē)平順性的評(píng)價(jià)方法。在建模前還要考慮人體的有關(guān)特性。人體嚴(yán)重的振動(dòng)響應(yīng)均在30Hz以下，而且上下振動(dòng)對(duì)平順性影響為70，另有研究認(rèn)為前后方向振動(dòng)占12。因此在建模時(shí)，考慮上下、前后的振動(dòng)即可。對(duì)駕駛員來(lái)說(shuō)，上下振動(dòng)的敏感頻率在48Hz之內(nèi)，前后在12Hz之內(nèi)34。本文對(duì)汽車(chē)座椅動(dòng)態(tài)舒適性的評(píng)價(jià)方法采用國(guó)標(biāo)GB497085標(biāo)準(zhǔn)。相應(yīng)采用的評(píng)

6、價(jià)方法是依照GB4970-85和ISO263178，采用1/3倍頻程加速度均方根值，通過(guò)“疲勞工效降低界限”和“舒適性降低界限”查到相應(yīng)允許暴露時(shí)間Tfd和Tcd來(lái)評(píng)價(jià)，用總的加權(quán)均方根值作為輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)。32 動(dòng)力學(xué)模型的建立在建立力學(xué)模型之前，為了方便研究，提出了以下基本假設(shè)：（1）把整個(gè)座椅減振系統(tǒng)分為上下兩層，每層簡(jiǎn)化為剛體。上層是一個(gè)固聯(lián)的剛體結(jié)構(gòu)，擬把金屬?gòu)椥约白鶋|彈性用彈性聯(lián)接實(shí)現(xiàn)；下層的金屬?gòu)椥院?jiǎn)化成彈性聯(lián)接。（2）由于座椅在縱向上的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱(chēng)的，因此，假設(shè)縱向上載荷也是對(duì)稱(chēng)的。（3）本研究只考慮座椅上層的上下、前后和俯仰的振動(dòng)對(duì)座椅舒適性的影響。圖1表示座椅系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。圖

7、1 座椅系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型33 動(dòng)力學(xué)方程的建立ADAMS程序采用拉格朗日乘子法建立系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程： （1）完整約束方程 ；非完整約束方程 ;其中： T系統(tǒng)功能；q系統(tǒng)廣義坐標(biāo)坐標(biāo)列陣；Q廣義力列陣； 對(duì)應(yīng)于完整約束的拉氏乘子列陣；對(duì)應(yīng)于非完整約束拉氏乘子列陣。34 動(dòng)力學(xué)方程的求解重新改寫(xiě)(1)式成一般形式為： （2）其中： q廣義坐標(biāo)列陣； 廣義速度列陣； 描述約束的代數(shù)方程列陣。 約束反力及作用力列陣系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)微分方程及用戶(hù)定義的微分方程；4利用ADAMS軟件建立仿真分析模型按照建立的力學(xué)模型，我們利用ADMAS多體動(dòng)力學(xué)軟件建立了座椅動(dòng)態(tài)舒適性仿真模型。首先，利用CAD軟件Pro/E進(jìn)行座椅

8、系統(tǒng)的幾何建模，通過(guò)STEP格式轉(zhuǎn)換到ADAMS/VIEW并且附加各個(gè)所需的物理屬性，如：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心、質(zhì)量等；其次，在A(yíng)DAMS/VIEW中對(duì)座椅系統(tǒng)各個(gè)部件加入約束，并在座椅上端加65kg的相當(dāng)于人的替代物；最后，在座椅底端加在我國(guó)B級(jí)公路上客車(chē)地板實(shí)測(cè)的位移激勵(lì)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。在仿真中座椅系統(tǒng)有兩個(gè)主要的動(dòng)態(tài)參數(shù)：座墊和懸架系統(tǒng)的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)。本研究的目的是：某客車(chē)廠(chǎng)采用的某種型號(hào)的駕駛員座椅是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并研究座椅系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)特性的影響以及由此帶來(lái)的對(duì)人體舒適性的影響。根據(jù)ADAMS動(dòng)力學(xué)分析，可以得到人體的各向加速度時(shí)域與頻域譜線(xiàn)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，可以作出

9、舒適性評(píng)價(jià)；并得到動(dòng)態(tài)特性參數(shù)對(duì)人體舒適性的影響，為選擇座椅構(gòu)件動(dòng)態(tài)參數(shù)提供了依據(jù)。圖2表示ADAMSVIEW上建立的座椅仿真分析模型。圖2 在A(yíng)DAMSVIEW上建立的座椅仿真分析模型5 結(jié)果分析座椅系統(tǒng)動(dòng)態(tài)舒適性主要與座墊的阻尼系數(shù)和剛度系數(shù)以及座椅懸架的阻尼與剛度有關(guān)。因此，對(duì)座椅系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析中，主要考慮上述幾個(gè)參數(shù)的選取對(duì)座椅動(dòng)態(tài)舒適性的影響，并通過(guò)分析結(jié)果選取這幾個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)。如圖3為人體振動(dòng)加速度時(shí)域和頻域譜。結(jié)果表明：在B級(jí)路面上，該座椅系統(tǒng)的固有頻率為0.1赫左右，不在人體的敏感頻率域內(nèi)，該項(xiàng)指標(biāo)合格。圖3 人體振動(dòng)加速度時(shí)域和頻域譜圖4為不同參數(shù)下人體振動(dòng)加速度時(shí)域和頻域

10、譜。本系統(tǒng)的座墊剛度系數(shù)13 N/mm，阻尼系數(shù)為0.3 NS/mm，座椅懸架系統(tǒng)剛度系數(shù)100 N/mm，阻尼器的阻尼為40 NS/mm。通過(guò)對(duì)座椅系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)得到的結(jié)果再編制C程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輸入實(shí)測(cè)的汽車(chē)傳入座椅系統(tǒng)激勵(lì)時(shí)域譜，得出的加速度加權(quán)均方根值為0.7554m/s2，小于客車(chē)駕駛員座椅的動(dòng)態(tài)舒適性指標(biāo)1.12 m/s2允許值。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明設(shè)計(jì)的座椅符合動(dòng)態(tài)舒適性的要求。圖4 不同參數(shù)下人體振動(dòng)加速度時(shí)域和頻域譜根據(jù)我們?cè)贏(yíng)DAMS軟件得到的結(jié)果，我們把座椅系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整到相應(yīng)的數(shù)值，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在座椅上放置重物（代替人體），測(cè)試重物的振動(dòng)加速度，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果

11、顯示與仿真分析的結(jié)果大致相同。如上所述，在座椅的虛擬設(shè)計(jì)和分析中，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS的應(yīng)用可以在虛擬的開(kāi)發(fā)條件下測(cè)試座椅的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，從而可以在不經(jīng)過(guò)建造物理樣機(jī)的情況下，確認(rèn)座椅的幾何信息和非幾何信息，并對(duì)其性能有了全面的了解，使得虛擬樣機(jī)能夠代替或部分代替物理樣機(jī)。參考文獻(xiàn)1. Griffin, Duration of Whole-body Vibration Exposure: Its Effects on Comfort, Journal of Sound and Vibration, Vol.48, pp.333-339, 1976.2. Janeway, Human Vibration Tolerance Criteria and Applications to Ride Evolution, SAE750075.3. 馮煥玉，兩自由度人體振動(dòng)模型及其在汽車(chē)平順性試驗(yàn)中的應(yīng)用