鐵道客車乘坐舒適性建模、仿真與虛擬試驗(yàn)研究.pdf

1、我國鐵路客運(yùn)正迎來跨越式發(fā)展的歷史機(jī)遇,追求高品質(zhì)的乘坐舒適性是伴隨這一發(fā)展歷程的必然要求。采用先進(jìn)的理論分析模型和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),研究鐵路客車的乘坐舒適性是保證列車運(yùn)行品質(zhì)的基礎(chǔ)內(nèi)容和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。靜態(tài)乘坐舒適性和振動(dòng)舒適性是決定乘坐舒適性的兩大重要因素。然而,目前針對(duì)鐵道客車的靜態(tài)乘坐舒適性研究,尚缺乏考慮人體特征差異的坐姿舒適性定量分析方法和評(píng)價(jià)模型。在振動(dòng)舒適性研究中,尚欠缺綜合考慮乘員質(zhì)量參振作用、車體柔性和空間特征的理論分析模型

2、。對(duì)于乘員質(zhì)量在輕量化高速客車中的參振影響,以及目前的運(yùn)行平穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn)在臥車車輛上的適用性問題,還欠缺深入研究。另外,在仿真技術(shù)方面,還沒有能夠?qū)⒓瘎?dòng)力學(xué)仿真與視景仿真于一體的虛擬試驗(yàn)技術(shù)用于鐵道客車振動(dòng)舒適性的分析模擬。為此,本文對(duì)以上問題進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究,具體內(nèi)容如下：
　　 (1)采用幾何建模和特征建模技術(shù),建立了具有不同人體百分位參數(shù)化建模功能的人體CAD模型。利用循環(huán)干涉檢查方法進(jìn)行人一椅CAD模型自適應(yīng)匹配,實(shí)現(xiàn)了不

3、同尺寸人體“虛擬乘坐”的要求,為坐姿幾何舒適性的分析評(píng)價(jià)提供了客觀依據(jù)。在此基礎(chǔ)上,以性別、人體百分位及坐姿關(guān)節(jié)角度構(gòu)成三層因素集,以不同設(shè)計(jì)方案的座椅構(gòu)成評(píng)價(jià)集,建立了列車座椅幾何舒適性三級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型,應(yīng)用該評(píng)價(jià)模型可定量分析比較不同設(shè)計(jì)方案列車座椅的幾何舒適性。
　　 (2)分析了坐姿人體振動(dòng)生物力學(xué)特性和柔性車體特征,綜合考慮乘員質(zhì)量和車體柔性的參振影響,建立了坐姿人體-柔性車體垂向耦合動(dòng)力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上,建立了

4、包含車體自由度和坐姿人體自由度的耦合振動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程,通過化多輪激勵(lì)為單輪激勵(lì),實(shí)現(xiàn)了軌道不平順激勵(lì)下的隨機(jī)振動(dòng)仿真。運(yùn)用該模型對(duì)輕量化高速客車在滿乘和空載兩種情況下的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了定量對(duì)比分析,結(jié)果表明乘員質(zhì)量的參振作用明顯,忽略乘員質(zhì)量的影響會(huì)帶來較大的計(jì)算誤差。
　　 (3)分析了臥鋪的隔振作用與臥姿人體的垂直振動(dòng)響應(yīng)特性,針對(duì)臥車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立了“人-鋪-車輛”空間振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上,建立了考慮車廂空間

5、位置的臥姿人體頭--臀部位的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)模型。應(yīng)用臥姿人體全身振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),建立了鐵路臥鋪客車人體振動(dòng)舒適性仿真流程。運(yùn)用該模型分析了Speding指標(biāo)和GB/T18368-2001指標(biāo)在臥鋪客車振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)中的差異性、臥鋪參數(shù)的影響,以及不同鋪位振動(dòng)舒適性的區(qū)別。
　　 (4)深入開展了鐵道客車振動(dòng)舒適性虛擬試驗(yàn)方法研究。以虛擬試驗(yàn)場的建立作為虛擬試驗(yàn)的前提基礎(chǔ),采用自建理論模型和多體動(dòng)力學(xué)軟件作為虛擬試驗(yàn)計(jì)算引擎,以

6、虛擬儀表作為虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)可視化工具,構(gòu)建了鐵路客車振動(dòng)舒適性虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。在虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制上,以基于虛擬試驗(yàn)場的軌道線路空間數(shù)學(xué)模型為聯(lián)系紐帶,統(tǒng)一定義虛擬樣機(jī)環(huán)境和虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的軌道線路工況,有效保證了動(dòng)力學(xué)仿真與視景仿真在虛擬試驗(yàn)過程中的有機(jī)聯(lián)系和集成。
　　 (5)在振動(dòng)舒適性虛擬試驗(yàn)場的構(gòu)建研究中,利用三維CAD建模、虛擬現(xiàn)實(shí)模型優(yōu)化、紋理映射和DOF建模技術(shù),建立了列車三維視景虛擬現(xiàn)實(shí)模型。建立了基于真

7、實(shí)地形DEM數(shù)據(jù)的虛擬試驗(yàn)場,建立了基于分段函數(shù)的軌道線路空間數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)了分段線路由局部空間坐標(biāo)向地形空間坐標(biāo)的映射轉(zhuǎn)換機(jī)制。研究了程式化的軌道線路地形空間形位數(shù)據(jù)的生成方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。
　　 (6)開展了基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的鐵道客車振動(dòng)舒適性多體動(dòng)力學(xué)仿真研究。通過編制文本解析程序,實(shí)現(xiàn)軌道線路拐點(diǎn)數(shù)據(jù)由虛擬試驗(yàn)場向虛擬樣機(jī)建模環(huán)境的自動(dòng)轉(zhuǎn)換?；贏dams/Rail實(shí)現(xiàn)了面向鐵道客車振動(dòng)舒適性分析的多體動(dòng)力學(xué)仿真,為振動(dòng)舒