ADAMS在座椅系統(tǒng)舒適性研究中的應用備課講稿

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。ADAMS在座椅系統(tǒng)舒適性研究中的應用-ADAMS在座椅系統(tǒng)舒適性研究中的應用黃斌蔣祖華蔡洪上海交通大學機械學院CIM研究所摘要：本文利用ADAMS/VIEW提供的虛擬產(chǎn)品開發(fā)工具對公交車駕駛員座椅進行動態(tài)舒適性的研究。經(jīng)過座椅系統(tǒng)的多體動力學仿真計算得出的加速度加權(quán)均方根值為0.7554m/s2小于客車駕駛員座椅的動態(tài)舒適性指標1.12m/s2允許值。物理實驗也證實了這個結(jié)論。這說明：基于產(chǎn)品的計算機仿真模型的虛擬樣機技術(shù)可以代替或部分代替物理樣機對產(chǎn)品進行創(chuàng)新設計、測試和評估，從而達到縮短開發(fā)周期、

2、降低成本、改進產(chǎn)品設計質(zhì)量的目的。1引言虛擬樣機技術(shù)是基于產(chǎn)品的計算機仿真模型的數(shù)字化開發(fā)方法。它涉及多體動力學與運動學建模理論及其技術(shù)實現(xiàn)，是基于先進的建模技術(shù)、多領域仿真技術(shù)、信息管理技術(shù)、交互式用戶界面技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的綜合應用技術(shù)。利用虛擬樣機可以代替或部分代替物理樣機對產(chǎn)品進行創(chuàng)新設計、測試和評估，縮短開發(fā)周期、降低成本、改進產(chǎn)品設計質(zhì)量，提高面向客戶和市場需求的能力。ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems）軟件是廣泛使用的機械系統(tǒng)動力學仿真軟件。用戶可以利用ADAMS軟件建立并且測試虛擬樣機，實現(xiàn)在計算機上仿真復雜機械系

3、統(tǒng)的運動性能。我們在國家863資助的有關(guān)客車的項目中，應用ADAMS軟件對公交車的駕駛員座椅進行動態(tài)舒適性的分析。2研究意義汽車乘坐舒適性是汽車設計開發(fā)中的重要問題。汽車乘坐舒適性包括靜態(tài)舒適性和動態(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)，后者則主要與振動特性有關(guān)。本文只討論動態(tài)舒適性問題。汽車座椅是人體與汽車直接接觸的部件，在路面激勵下其動態(tài)性能直接影響人體對乘坐舒適性的評價。汽車振動系統(tǒng)主要有輪胎、汽車懸架和座椅三個減振環(huán)節(jié)，為了降低傳遞到人體的振動程度、提高舒適性，人們選用彈性合理的輪胎，精心設計汽車底盤及懸架系統(tǒng)。研究表明：輪胎氣壓降低，減少輪胎垂直剛度，有利于提高汽車平

4、順性，但輪胎氣壓的降低會增加輪胎變形，這就減少了使用壽命；對汽車懸架系統(tǒng)來說，適當降低懸架剛度、增加阻尼，有利于提高汽車平順性，但是懸架、阻尼的改變會影響操縱穩(wěn)定性和制動穩(wěn)定性，而這些性能與懸架參數(shù)的要求是互相矛盾的，改動余地很小；相比之下，座椅動態(tài)參數(shù)的改變對汽車的其他使用性能沒有影響1。傳統(tǒng)的研究方法是通過制造物理樣機并進行試驗，通過試驗結(jié)果修正座椅的幾何參數(shù)、物理參數(shù)等，再進行反復多次的試驗，得到符合靜態(tài)和動態(tài)舒適性標準的座椅。很顯然，這項工作是費時費力的，我們利用ADAMS軟件對座椅進行建模和分析，大大地節(jié)省了時間和成本。3研究方法31汽車座椅乘坐動態(tài)舒適性評價方法在平順性研究方面，國

5、內(nèi)外學者做了大量的工作，制定了幾個較有影響的客觀物理量評價方法2：乘坐舒適性系數(shù)法；吸收功率法；單一的不舒適性指數(shù)法；總體乘坐值法；國際標準ISO2631標準。1974年國際標準化組織正式公布了國際標準ISO2631“人體承受全身振動評價指南”，1978年對ISO26311974作了一些編輯修改后再次公布為ISO26311978，它得到了許多國家的承認，并成為汽車行業(yè)汽車平順性的評價方法。在建模前還要考慮人體的有關(guān)特性。人體嚴重的振動響應均在30Hz以下，而且上下振動對平順性影響為70，另有研究認為前后方向振動占12。因此在建模時，考慮上下、前后的振動即可。對駕駛員來說，上下振動的敏感頻率在4

6、8Hz之內(nèi)，前后在12Hz之內(nèi)34。本文對汽車座椅動態(tài)舒適性的評價方法采用國標GB497085標準。相應采用的評價方法是依照GB4970-85和ISO263178，采用1/3倍頻程加速度均方根值，通過“疲勞工效降低界限”和“舒適性降低界限”查到相應允許暴露時間Tfd和Tcd來評價，用總的加權(quán)均方根值作為輔助評價指標。32動力學模型的建立在建立力學模型之前，為了方便研究，提出了以下基本假設：（1）把整個座椅減振系統(tǒng)分為上下兩層，每層簡化為剛體。上層是一個固聯(lián)的剛體結(jié)構(gòu)，擬把金屬彈性及座墊彈性用彈性聯(lián)接實現(xiàn)；下層的金屬彈性簡化成彈性聯(lián)接。（2）由于座椅在縱向上的結(jié)構(gòu)是對稱的，因此，假設縱向上載荷也

7、是對稱的。（3）本研究只考慮座椅上層的上下、前后和俯仰的振動對座椅舒適性的影響。圖1表示座椅系統(tǒng)動力學模型。圖1座椅系統(tǒng)動力學模型33動力學方程的建立ADAMS程序采用拉格朗日乘子法建立系統(tǒng)運動方程：SKIPIF10（1）完整約束方程SKIPIF10；非完整約束方程SKIPIF10;其中：T系統(tǒng)功能；q系統(tǒng)廣義坐標坐標列陣；Q廣義力列陣；對應于完整約束的拉氏乘子列陣；對應于非完整約束拉氏乘子列陣。34動力學方程的求解重新改寫(1)式成一般形式為：SKIPIF10（2）其中：q廣義坐標列陣；SKIPIF10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)動力學微分方程及用戶定義的微

8、分方程；4利用ADAMS軟件建立仿真分析模型按照建立的力學模型，我們利用ADMAS多體動力學軟件建立了座椅動態(tài)舒適性仿真模型。首先，利用CAD軟件Pro/E進行座椅系統(tǒng)的幾何建模，通過STEP格式轉(zhuǎn)換到ADAMS/VIEW并且附加各個所需的物理屬性，如：轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心、質(zhì)量等；其次，在ADAMS/VIEW中對座椅系統(tǒng)各個部件加入約束，并在座椅上端加65kg的相當于人的替代物；最后，在座椅底端加在我國B級公路上客車地板實測的位移激勵進行動力學仿真。在仿真中座椅系統(tǒng)有兩個主要的動態(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：某客車廠采用的某種型號的駕駛員座椅是否符合國家標準，并研究座

9、椅系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)對系統(tǒng)的振動特性的影響以及由此帶來的對人體舒適性的影響。根據(jù)ADAMS動力學分析，可以得到人體的各向加速度時域與頻域譜線，對結(jié)果進行分析，可以作出舒適性評價；并得到動態(tài)特性參數(shù)對人體舒適性的影響，為選擇座椅構(gòu)件動態(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ADAMSVIEW上建立的座椅仿真分析模型結(jié)果分析座椅系統(tǒng)動態(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，對座椅系統(tǒng)進行動力學分析中，主要考慮上述幾個參數(shù)的選取對座椅動態(tài)舒適性的影響，并通過分析結(jié)果選取這幾個設計參數(shù)。如圖3為人體振動加速度時域和頻域譜。結(jié)果表明：在

10、B級路面上，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)，該項指標合格。圖3人體振動加速度時域和頻域譜圖4為不同參數(shù)下人體振動加速度時域和頻域譜。本系統(tǒng)的座墊剛度系數(shù)13N/mm，阻尼系數(shù)為0.3NS/mm，座椅懸架系統(tǒng)剛度系數(shù)100N/mm，阻尼器的阻尼為40NS/mm。通過對座椅系統(tǒng)的動力學仿真試驗得到的結(jié)果再編制C程序進行數(shù)據(jù)處理，輸入實測的汽車傳入座椅系統(tǒng)激勵時域譜，得出的加速度加權(quán)均方根值為0.7554m/s2，小于客車駕駛員座椅的動態(tài)舒適性指標1.12m/s2允許值。這個結(jié)果說明設計的座椅符合動態(tài)舒適性的要求。圖4不同參數(shù)下人體振動加速度時域和頻域譜SKIPIF10根

11、據(jù)我們在ADAMS軟件得到的結(jié)果，我們把座椅系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整到相應的數(shù)值，再進行實驗測試，在座椅上放置重物（代替人體），測試重物的振動加速度，再進行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果顯示與仿真分析的結(jié)果大致相同。如上所述，在座椅的虛擬設計和分析中，動態(tài)系統(tǒng)動力學軟件ADAMS的應用可以在虛擬的開發(fā)條件下測試座椅的靜態(tài)和動態(tài)性能，從而可以在不經(jīng)過建造物理樣機的情況下，確認座椅的幾何信息和非幾何信息，并對其性能有了全面的了解，使得虛擬樣機能夠代替或部分代替物理樣機。參考文獻Griffin,DurationofWhole-bodyVibrationExposure:ItsEffectsonComfort,JournalofSoundandVibration,Vol.48,pp.333-339,1976.Janeway,HumanVibrationToleranceCriteriaandApplicationstoRideEvolutio