基于离散元的不平整路面人体感受仿真分析

2016-01-28 03:36周长红张苗苗刘入嘉

黑龙江交通科技 2015年8期

周长红，张苗苗，刘入嘉，史　琦

(大连理工大学建设工程学部交通运输学院)

基于离散元的不平整路面人体感受仿真分析

周长红，张苗苗，刘入嘉，史琦

(大连理工大学建设工程学部交通运输学院)

摘要：车辆乘坐舒适度是道路结构研究的重要课题。车辆在路面上行驶时，路面不平整会引起车辆的振动，而车辆的振动会对乘坐者产生心理和生理影响。该文不同于以往采用刚体动力学的方法，利用离散元的数值计算模拟方法，建立人-车-路模型，通过路面随机不平整度的激励来考察人体舒适度的等级问题。经过计算分析，得出在不同地形条件，不同座位处的人体加速度。该模型的提出对人车路系统相互间的力学作用研究提供一种新思路。

关键词：路面不平整度；离散元；人体加速度；人体舒适度

随着高速公路网建设的迅猛发展,路面不平整度对人体与车辆的动力作用及车辆乘坐舒适度问题是一个重要的研究课题。同时，随着人们生活水平的大幅度提高，人体舒适性问题越来越受到人们的关注。本着“以人为本”的重要思想，有必要研究车辆振动对乘坐者舒适度的影响，但是从目前来看，对车辆乘坐舒适性的研究还很有限，一般通过车辆振动加速度间接对人体舒适度进行评价，而在现阶段车辆乘坐舒适度研究中往往通过构建动力学模型近似对人体的竖向加速度进行计算。而在实际情况中，人在行驶的车辆中由于道路振动的原因总是有“凌空”的趋势，人车关系实际上属于非连续力学问题，在这种情况下应用传统方法来计算显然有很多不足。

近年来随着计算机技术的发展，数值仿真研究法得到了广泛的应用,采用数值分析理论对人车系统进行研究有重要的意义。离散元法作为一种专门用来解决不连续介质问题的数值模拟方法，在岩土工程，制药和环境等领域有着广泛的应用，但目前，少有利用离散元法来解决交通工程问题的研究，然而人体的力学性质是十分复杂的，个体间也往往存在较大差异，利用离散元方法能很好的弥补目前多体动力学模型的不足，在研究路面不平整度控制、车辆结构、车辆减震措施、乘客安全方面有较多优势。本文就是基于这种目的而开展的，实践证明该方法有效可行、创新性显著。

1离散元仿真模型

1.1　车辆模型

针对车辆在路面上行驶的实际情况，利用pfc3D软件建立了公交车模型。模拟的车辆为大连市新引进使用的“解放混合动力城市CA6126SH8”型公交车。建立的离散元模型外形尺寸：12.0×2.55m，整备质量：11 374kg，轮胎数：4，轴数：2，轴高：0.75m，额定座位数：33。

1.2　人-车-路系统模型

(1)利用离散元颗粒流程序通过FISH语言建立整车模型，该模型按如下方法定义: ①单个轮轴及两侧轮毂轮胎定义为一个Clump(块)，前后轴共两个Clump；②车身和座椅定义为一个Clump体;③单个人体作为单个Clump，全车共33个。

(2) 利用离散元颗粒流程序通过FISH语言建立路面模型，路面由四个与轮胎相接触的wall(墙体)组成，通过对wall分别施加随时间变化的路面不平整位移激励，模拟车辆在实际路面上的运行情况。

1.3　路面不平整度的模拟

利用Matlab生成随机数的方法模拟不平整路面的样本值，建立坑槽、减速带和混凝土板间高差等特殊地形的不平整度发生函数，以及基于均方差控制的随机不平整度生成的模型；为防止位移点速度的突变，位移样本值由三次样条函数拟合。图1为随机生成的不平整度数据。

图1　随机生成的不平整数据

2人车耦合振动乘坐舒适度评价

设定公交车辆以40km/h时速通过，可以得到随机不平整度方差为0.002条件下的人体加速度，如图2；水泥混凝土相邻板高差分别为2mm和4mm车速为40km/h时人体加速度，见图3、图4；另外，针对公交车以5km/h通过5cm减速带时人体加速度，计算结果如图5所示。

图2　随机不平整度中间座位处人体加速度

图3　水泥混凝土相邻板高差2 mm前部座位处人体加速度

图4　水泥混凝土相邻板高差4 mm前部座位处人体加速度

图5　高差5 cm减速带后部座位处人体加速度

利用上述人车路模型和生成的地面起伏数据，通过计算可以获得不同地形、不同车辆位置下的人体加速度变化的均值、方差等数据，并获得相应的人体感受程度。由于结果数据较多，此处仅例举几个典型的情况。

对不同座位，不同的地形条件的数据经整理后得到表1。

表1不同座位，不同的地形条件的人体舒适度评价

路面状况加速度均方值/(ms-2)第1排左第1排右中间座位左中间座位右最后一排左最后一排右乘坐舒适度评价随机平整度σ=0.00120.080.080.080.080.070.07没有不舒适混凝土相邻板高差ΔH=2mm0.950.950.920.920.880.88不舒服混凝土相邻板高差ΔH=4mm1.631.631.591.591.521.52相当不舒服ΔH=50mm减速带1.641.641.601.601.511.51相当不舒服

本文主要利用人体所受到的加速度均方差值评价乘坐舒适度。评价标准如表2。

表2　人体加速度均方差与人体感受的关系

从上面的表格中可以看出人体乘坐加速度与座位呈现前部位置人体加速度均方差较大，后部位置人体加速度均方差较小的趋势。

3结论

本文的研究将建立合理的人体舒适度评价系统，随着研究深入和测试手段的进步以及路面平整度理论模型的完善，路面平整度与人体舒适度评价将更加紧密地结合，这是路面平整度评价指标发展的必然趋势。

不同于传统的构建动力学模型的方法，本文通过离散元的数值模拟方法，建立人-车-路模型，通过路面随机不平整度的激励来对人体舒适度的影响进行分析评价，很好的反映了在实际运行车辆中的人体感受，为路面不平整度理论的研究提供了一种新思路。同时可以通过随机路面不平整度数据的随机生成，实现模拟具有路面破损或具有特殊凹陷或凸起路面的真实效果，在改善车辆结构和安全措施方面具有较高的应用价值。结果表明人体乘坐舒适度与不同的地形、座位位置密不可分，表现出随机不平度情况下人体加速度均方差极小而在减速带情况下相对很大，在车辆后部加速度均方差偏小而前部偏大的现象。

然而，本文方法还具有变量单一，数据偏少的问题，为了进一步验证本模型的准确性和可靠性，我们还需研究车辆各参数对人体感受的影响，从而进行参数优化，为进行乘坐舒适性的车辆结构优化设计提供理论依据。

参考文献：

[1]梁学荣.基于真实路形的行车舒适性分析[D].哈尔滨工业大学，2007.

[2]吴志华.基于车辆_道路耦合系统下的道路友好特性研究[D].重庆交通大学，2010.

[3]张丙强.车辆路面系统耦合振动分析及乘坐舒适度评价[D].中南大学，2012.

[4]杨全文.离散元法干颗粒接触模型研究及微机可视化程序设计[D].中国农业大学，2001.