鐵道客車乘坐舒適性建模、仿真與虛擬試驗研究.pdf

1、我國鐵路客運正迎來跨越式發(fā)展的歷史機遇,追求高品質的乘坐舒適性是伴隨這一發(fā)展歷程的必然要求。采用先進的理論分析模型和計算機仿真技術,研究鐵路客車的乘坐舒適性是保證列車運行品質的基礎內容和關鍵環(huán)節(jié)。靜態(tài)乘坐舒適性和振動舒適性是決定乘坐舒適性的兩大重要因素。然而,目前針對鐵道客車的靜態(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價模型。在振動舒適性研究中,尚欠缺綜合考慮乘員質量參振作用、車體柔性和空間特征的理論分析模型

2、。對于乘員質量在輕量化高速客車中的參振影響,以及目前的運行平穩(wěn)性標準在臥車車輛上的適用性問題,還欠缺深入研究。另外,在仿真技術方面,還沒有能夠將集動力學仿真與視景仿真于一體的虛擬試驗技術用于鐵道客車振動舒適性的分析模擬。為此,本文對以上問題進行深入系統(tǒng)的研究,具體內容如下：
　　 (1)采用幾何建模和特征建模技術,建立了具有不同人體百分位參數化建模功能的人體CAD模型。利用循環(huán)干涉檢查方法進行人一椅CAD模型自適應匹配,實現了不

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價提供了客觀依據。在此基礎上,以性別、人體百分位及坐姿關節(jié)角度構成三層因素集,以不同設計方案的座椅構成評價集,建立了列車座椅幾何舒適性三級模糊綜合評價模型,應用該評價模型可定量分析比較不同設計方案列車座椅的幾何舒適性。
　　 (2)分析了坐姿人體振動生物力學特性和柔性車體特征,綜合考慮乘員質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力學模型。在此基礎上,建立了

4、包含車體自由度和坐姿人體自由度的耦合振動系統(tǒng)運動方程,通過化多輪激勵為單輪激勵,實現了軌道不平順激勵下的隨機振動仿真。運用該模型對輕量化高速客車在滿乘和空載兩種情況下的隨機振動響應進行了定量對比分析,結果表明乘員質量的參振作用明顯,忽略乘員質量的影響會帶來較大的計算誤差。
　　 (3)分析了臥鋪的隔振作用與臥姿人體的垂直振動響應特性,針對臥車的結構特點,建立了“人-鋪-車輛”空間振動系統(tǒng)動力學模型。在此基礎上,建立了考慮車廂空間

5、位置的臥姿人體頭--臀部位的隨機振動響應模型。應用臥姿人體全身振動舒適性評價標準,建立了鐵路臥鋪客車人體振動舒適性仿真流程。運用該模型分析了Speding指標和GB/T18368-2001指標在臥鋪客車振動舒適性評價中的差異性、臥鋪參數的影響,以及不同鋪位振動舒適性的區(qū)別。
　　 (4)深入開展了鐵道客車振動舒適性虛擬試驗方法研究。以虛擬試驗場的建立作為虛擬試驗的前提基礎,采用自建理論模型和多體動力學軟件作為虛擬試驗計算引擎,以

6、虛擬儀表作為虛擬試驗數據可視化工具,構建了鐵路客車振動舒適性虛擬試驗系統(tǒng)體系結構。在虛擬試驗數據傳輸機制上,以基于虛擬試驗場的軌道線路空間數學模型為聯系紐帶,統(tǒng)一定義虛擬樣機環(huán)境和虛擬現實環(huán)境中的軌道線路工況,有效保證了動力學仿真與視景仿真在虛擬試驗過程中的有機聯系和集成。
　　 (5)在振動舒適性虛擬試驗場的構建研究中,利用三維CAD建模、虛擬現實模型優(yōu)化、紋理映射和DOF建模技術,建立了列車三維視景虛擬現實模型。建立了基于真

7、實地形DEM數據的虛擬試驗場,建立了基于分段函數的軌道線路空間數學模型,實現了分段線路由局部空間坐標向地形空間坐標的映射轉換機制。研究了程式化的軌道線路地形空間形位數據的生成方法和實現技術。
　　 (6)開展了基于虛擬樣機技術的鐵道客車振動舒適性多體動力學仿真研究。通過編制文本解析程序,實現軌道線路拐點數據由虛擬試驗場向虛擬樣機建模環(huán)境的自動轉換。基于Adams/Rail實現了面向鐵道客車振動舒適性分析的多體動力學仿真,為振動舒