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生物力学模型评估人类对振动的反应
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发布时间:2019-08-08 作者:正脉科工CAE 浏览数:3127

  根据振动的大小和频率,振动可能是人体不适甚至疼痛的来源。这些振动的影响是可以感觉到的,但是想象人体不同部位在这样的环境中是如何反应的难道不是很有趣吗?我们向您介绍一个多体模型,它使您能够分析身体对振动的动态响应。

  汽车方法

  无论是在工作和家庭之间长途旅行,还是仅仅被连续不断的交通堵塞所困,我们中的许多人每天都要花大量的时间在路上。在晚上有空的日子里,这可能被认为是放松和听一张喜爱的光盘或电台的时间。然而,在你的日程安排有点紧张的日子里,漫长的通勤可能会成为你为了按时到达目的地而感到沮丧的一个原因。无论在什么情况下,让你的车骑得更愉快的一个因素就是车内的舒适。

  在路上,你可能已经注意到振动的感觉,这种感觉有时会从你的座位上产生。这些振动的根源可以追溯到许多来源,包括路况、速度、发动机振动和车辆座椅的设计。虽然长时间暴露在这种振动中不仅会引起不适,还会对人的健康造成危害,有可能导致疲劳或疼痛。随着对这些振动影响的日益关注,一些车辆已经开始实施隔振器以尽量减少这种影响。

汽车座椅的照片

  车辆座椅可能是振动的来源

  利用这个生物力学模型多体动力学模块,我们可以模拟人体对这种振动的响应,从而帮助优化隔振器的设计并分析车辆的行驶质量。

  在生物力学模型中建立连接

  这坐姿人体生物力学模型使得这种分析成为可能。该模型设计中的一个重要元素是解决人体的复杂性以及不同身体部位之间的联系。在这个例子中,我们关注身体六个不同区域的振动冲击:头部、躯干、内脏、骨盆、大腿和腿。每个元素都被视为集总质量,并被定义为刚体。

  为了近似不同身体部位之间的连接,我们在两个相连身体部位之间的相对运动上应用平移和旋转阻尼器和弹簧——这种连接是用固定关节的弹性形式建模的。这提供了连接的车身部件之间的平移和旋转刚度以及阻尼值。

  固定关节用于模拟直接接触座椅(腿、大腿和骨盆)的身体部位和座椅本身之间的连接,座椅本身是振动的来源。为了模拟座椅的缓冲效果,需要时还包括关节的弹性。

  请注意,在输入激励为1 m/s的情况下,使用的不是座椅本身的建模,而是基本运动节点2在垂直方向的三个不同位置。

  评估振动对人体的影响

  我们从本征频率分析开始,旨在确定振动的阻尼和非阻尼固有频率。

  下图说明了无阻尼模型上的旋转本征模。头部和躯干有相当大的旋转运动。相比之下,模型的其他部分几乎没有运动。

一个模型强调了人体对振动的反应

  然后我们将分析转移到阻尼模型的平移本征模。在第一个主要平移特征模式中,结果表明头部、骨盆和内脏向下运动,而其他身体部位没有明显运动。下图对此进行了说明。

描述第一个主要平移特征模式结果的图像。

  第二个主要平移特征模式(如下所示)记录了头部、躯干和骨盆向下的位移,而内脏向上移动。

生物力学模型中的位移遵循第二平移本征模式。

  频率响应分析

  这个例子的特点是围绕固有频率进行频率响应分析,以分析三种不同的元素:垂直透射率、旋转透射率和表观质量。

  让我们首先把注意力集中在垂直传播上。垂直透射率指头部垂直加速度和座椅输入加速度之间的比率。当与激励频率比较时,结果表明初级谐振在4-6 Hz范围内可见,次级谐振在8-10 Hz范围内可见。

垂直透射率与激发频率的比较图。

  垂直透射率与激励频率的关系。

  旋转透射率头部的角加速度和座椅的输入加速度之比。关于这种形式的遗传性,避免高值是很重要的,因为这可能会增加不适并影响视力。下图描述了它随激励频率的变化。

旋转透射率图。

  旋转传递率与激励频率的关系。

  最后,表观质量指座椅力与座椅输入加速度的比率。该元素不是描述模型的端点特征,而是传达驱动点特征。

图中显示了表观质量与激励频率之间的关系。

  表观质量与激励频率的关系。

  结束语

  在这篇文章中,我们向你介绍了人体的生物力学模型,特别强调了它在汽车工业中的应用。我们已经向您展示了如何使用多体动力学界面,你可以模拟人体的各个部分——以及它们之间的联系——并分析它对全身振动的动态响应。


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