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《吉林大学》 2011年
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基于关节负荷姿势舒适评价的驾驶室布置优化研究

崔文诗  
【摘要】:驾驶员主要姿势对于驾驶室布置设计非常重要;而客观地评价主要驾驶姿势则是准确模拟主要驾驶姿势的关键,还是保证良好驾驶室布置设计质量的关键。本文对驾驶员主要驾驶姿势客观评价的理论和技术问题进行了研究,内容包括人体尺度预测、主要驾驶姿势预测、驾驶姿势下人机界面力和关节载荷计算模型、驾驶姿势不舒适度评价模型。应用这些研究成果,对某款乘用车驾驶室布置设计进行了多目标优化研究。 人体尺度的测量通常耗费大量的人力和巨额的成本,且仅能获得数量较有限的人体尺度数据。为了方便应用,常常通过分析获得人体各环节之间的比例常数,以便在只具备少数人体尺度的情况下来计算详细尺度。但这种方法目前采用的预测因子少、且只能预测平均尺度。本文针对这些不足,对如何准确预测人体尺度进行了研究。在CATIA-V5软件中通过仿真测量的办法获得了人体数据。选取身高、胯高和体重指数(Body Mass Index, BMI)作为宏观预测因子,采用逐步回归方法对人体尺度预测进行了研究,最终确定以身高、BMI、胯高与身高比值的对数变换作为预测因子,并将残差带回回归方程,建立了改进的人体尺度预测模型。将预测值与测量值进行对比,验证了人体尺度预测模型预测的真实性与有效性。 以往对驾驶姿势不舒适度的评价多采用主观评价的方法,不够准确、客观,并且难以与仿真和优化联系起来。本文对基于人体关节载荷的驾驶姿势不舒适度评价方法进行了研究,包括人体运动学建模、驾驶姿势预测、人机界面力和关节载荷准静态求解模型三部分。参考人体解剖学和人体运动生物力学有关理论将复杂的人体骨骼运动系统简化,运用D-H表示法建立了人体运动学模型。针对正向运动学和反向运动学方法通常很难获得较为真实的驾驶姿势的情况,利用驾驶姿势预测的方法对主要驾驶姿势予以解算。故将实际车型的驾驶室布置参数和从人体尺度预测模型中获得的人体尺度信息输入到UMTRI(密歇根大学交通研究所)的OPM(Optimization Prediction Model,最优预测模型)中,预测得到了主要驾驶姿势。在分析了人体与座椅、踏板、地板、方向盘间的接触力后,结合预测的主要驾驶姿势,建立了人机界面力和关节载荷准静态求解模型,并利用静力学方法、反向动力学方法和数值迭代方法求解得到人机界面力、以及驾驶员人体各个关节载荷,为建立基于关节载荷的静态驾驶姿势不舒适度评价模型奠定了基础。 最后,应用上述研究成果,对某款乘用车驾驶室布置进行了多目标优化研究。在优化过程中,选择H70、A18、H17、L11、A27等驾驶室布置参数为设计变量,针对参数范围进行了实验方案设计,同时将驾驶员下视野作为约束条件,选取男子95百分位和女子5百分位驾驶员作为研究对象;通过对求解得到的驾驶员人体各个关节的关节载荷进行筛选和相关分析,最终确定了对驾驶员全身不舒适度的影响因子和权重系数,并根据男、女性在乘用车中作为驾驶员出现的概率,建立了基于关节载荷的混合性别静态驾驶姿势不舒适度评价模型。将不舒适度与H点水平调节行程视为优化目标,利用多目标优化方法给出了驾驶室优化布置的最终方案。 本文在人体尺度预测和主要驾驶姿势舒适性评价方面取得了一定的研究进展。所建立的人体尺度预测统计学模型提高了人体尺度预测的准确性、灵活性。基于驾驶员关节载荷评价静态驾驶姿势不舒适度的方法提高了姿势不舒适评价的客观性和实用价值。为了方便应用,本文将这些研究成果在V.Fortran平台下编制了计算机程序。本文的研究更主要的是着眼于在汽车布置中的应用,在缩短设计周期、降低成本的同时,也为客观准确地确定驾驶室布置参数提供有力保证。因此,本文利用前面的研究成果对驾驶室布置参数进行了优化方面的初步研究,得出了符合良好前方视野和坐姿舒适性要求的驾驶室布置方案。优化得到的驾驶室布置参数可以使驾驶环境得到显著改善,切实体现了以人为中心的驾驶室设计理念,进一步提高了产品的市场竞争力。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:U463.83

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