基于離散元的不平整路面人體感受仿真分析

2016-01-28 03:36:06周長紅張苗苗劉入嘉

黑龍江交通科技 2015年8期

周長紅，張苗苗，劉入嘉，史　琦

(大連理工大學建設工程學部交通運輸學院)

基于離散元的不平整路面人體感受仿真分析

周長紅，張苗苗，劉入嘉，史琦

(大連理工大學建設工程學部交通運輸學院)

摘要：車輛乘坐舒適度是道路結構研究的重要課題。車輛在路面上行駛時，路面不平整會引起車輛的振動，而車輛的振動會對乘坐者產生心理和生理影響。該文不同于以往采用剛體動力學的方法，利用離散元的數值計算模擬方法，建立人-車-路模型，通過路面隨機不平整度的激勵來考察人體舒適度的等級問題。經過計算分析，得出在不同地形條件，不同座位處的人體加速度。該模型的提出對人車路系統相互間的力學作用研究提供一種新思路。

關鍵詞：路面不平整度；離散元；人體加速度；人體舒適度

隨著高速公路網建設的迅猛發展,路面不平整度對人體與車輛的動力作用及車輛乘坐舒適度問題是一個重要的研究課題。同時，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注。本著“以人為本”的重要思想，有必要研究車輛振動對乘坐者舒適度的影響，但是從目前來看，對車輛乘坐舒適性的研究還很有限，一般通過車輛振動加速度間接對人體舒適度進行評價，而在現階段車輛乘坐舒適度研究中往往通過構建動力學模型近似對人體的豎向加速度進行計算。而在實際情況中，人在行駛的車輛中由于道路振動的原因總是有“凌空”的趨勢，人車關系實際上屬于非連續力學問題，在這種情況下應用傳統方法來計算顯然有很多不足。

近年來隨著計算機技術的發展，數值仿真研究法得到了廣泛的應用,采用數值分析理論對人車系統進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介質問題的數值模擬方法，在巖土工程，制藥和環境等領域有著廣泛的應用，但目前，少有利用離散元法來解決交通工程問題的研究，然而人體的力學性質是十分復雜的，個體間也往往存在較大差異，利用離散元方法能很好的彌補目前多體動力學模型的不足，在研究路面不平整度控制、車輛結構、車輛減震措施、乘客安全方面有較多優勢。本文就是基于這種目的而開展的，實踐證明該方法有效可行、創新性顯著。

1離散元仿真模型

1.1　車輛模型

針對車輛在路面上行駛的實際情況，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使用的“解放混合動力城市CA6126SH8”型公交車。建立的離散元模型外形尺寸：12.0×2.55m，整備質量：11 374kg，輪胎數：4，軸數：2，軸高：0.75m，額定座位數：33。

1.2　人-車-路系統模型

(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單個輪軸及兩側輪轂輪胎定義為一個Clump(塊)，前后軸共兩個Clump；②車身和座椅定義為一個Clump體;③單個人體作為單個Clump，全車共33個。

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

1.3　路面不平整度的模擬

利用Matlab生成隨機數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生函數，以及基于均方差控制的隨機不平整度生成的模型；為防止位移點速度的突變，位移樣本值由三次樣條函數擬合。圖1為隨機生成的不平整度數據。

圖1　隨機生成的不平整數據

2人車耦合振動乘坐舒適度評價

設定公交車輛以40km/h時速通過，可以得到隨機不平整度方差為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時人體加速度，見圖3、圖4；另外，針對公交車以5km/h通過5cm減速帶時人體加速度，計算結果如圖5所示。

圖2　隨機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據，通過計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、方差等數據，并獲得相應的人體感受程度。由于結果數據較多，此處僅例舉幾個典型的情況。

對不同座位，不同的地形條件的數據經整理后得到表1。

表1不同座位，不同的地形條件的人體舒適度評價

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價隨機平整度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相當不舒服ΔH=50mm減速帶1.641.641.601.601.511.51相當不舒服

本文主要利用人體所受到的加速度均方差值評價乘坐舒適度。評價標準如表2。

表2　人體加速度均方差與人體感受的關系

從上面的表格中可以看出人體乘坐加速度與座位呈現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。

3結論

本文的研究將建立合理的人體舒適度評價系統，隨著研究深入和測試手段的進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價將更加緊密地結合，這是路面平整度評價指標發展的必然趨勢。

不同于傳統的構建動力學模型的方法，本文通過離散元的數值模擬方法，建立人-車-路模型，通過路面隨機不平整度的激勵來對人體舒適度的影響進行分析評價，很好的反映了在實際運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。同時可以通過隨機路面不平整度數據的隨機生成，實現模擬具有路面破損或具有特殊凹陷或凸起路面的真實效果，在改善車輛結構和安全措施方面具有較高的應用價值。結果表明人體乘坐舒適度與不同的地形、座位位置密不可分，表現出隨機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很大，在車輛后部加速度均方差偏小而前部偏大的現象。

然而，本文方法還具有變量單一，數據偏少的問題，為了進一步驗證本模型的準確性和可靠性，我們還需研究車輛各參數對人體感受的影響，從而進行參數優化，為進行乘坐舒適性的車輛結構優化設計提供理論依據。

參考文獻：

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