基于非均质接触面振动传递特性的人-椅耦合系统动力学研究

The booming development of the intelligent vehicle and self-adjustable ergonomics seat have driven the industry and world of science into the seat-occupant coupled system. It is important to analyse seat-occupant system with experimental and modelling method based on the biodynamics of the human body. It is rare to use the dynamic properties of the seat to look into the response of human body to vibration. This project focused on the dynamic properties of the human-seat coupling system by investigating the effect of foam thickness and different contact conditions between the human body and the seat on the dynamic response of the human body (i.e. apparent mass) and the seat transmissibility at low frequency range. The corresponding mechanisms related to the above issue are investigated. Correlation tests are carried out between the fore-and-aft in-line and vertical cross-axis seat transmissbility at the seat to improve the understanding of the underlying mechanism. Different riding conditions or case studies are analysed based the research above in order to improve the finite element method to model seat-occupant system to predict seat transmissbility. The experimental and modelling methods of the seat transmissibility could be applied to optimise the seat design with the aims of reducing the spinal injury and improving the riding comfort.

智能汽车和自适应人因座椅的发展引起科学界和工业界对人-椅耦合系统的日益关注。目前，基于人体生物动力学作用机理的实验测试与模型分析是研究热点，而从座椅动态传递特性出发研究人体振动响应特性的工作较少。本项目以人-椅非均质接触面的振动传递特性为研究对象，以本构关系相同的聚氨酯泡沫厚度与接触条件变化的对标关系为核心，利用聚类多元非参数统计方法系统研究低频水平前后向激励下人-椅耦合层动态刚度对坐姿人体视在质量和座椅传递函数的影响规律和关联机制，并结合人体同轴与正交轴视在质量的相关性分析，采用Logistic回归方法探索人-椅同轴与正交轴传递函数的耦合强度和影响机理，再以不同工况下乘坐系统作为典型案例进行理论验证和应用，提出一套基于座椅振动传递特性的实验分析与模型预测方法，最终从座椅优化角度为减小低频振动环境下坐姿人体的脊柱疲劳损伤和提高乘坐舒适性提供理论和技术支撑。

车辆驾乘舒适性已成为交通工具的重要性能指标，而人体-座椅耦合系统（以下简称人-椅系统）振动传递特性研究在提高车辆驾乘舒适性方面发挥着重要的作用。当前主要采用基于欧美人群体征的振动台架试验方法从生物动力学角度探究各种姿态下的人体振动响应特性，但目前从座椅动力学角度研究中国体征参数的振动响应研究工作相对较少。因此，本项目基于不同人群体征参数从座椅开孔聚氨酯泡沫厚度引起的接触条件的变化关系入手进行人-椅系统振动传递特性的试验研究与模型仿真研究。首先针对车用开孔聚氨酯泡沫进行不同工况下的动态刚度试验，分析聚氨酯泡沫动态特性受预加载力、激励振幅以及泡沫厚度等因素的影响规律；通过开展低频前后向激励下亚裔受试人员的坐姿振动试验，对基于体征参数的分组样本进行个体差异性研究，并采用非参数统计学方法总结人-椅系统不同接触条件对同轴和正交轴座椅频响函数的影响规律，探索人-椅振动系统的正交耦合特性。利用已识别出的全部志愿者各组接触条件下的模型参数修正人-椅系统坐垫和靠背处的接触特性定义，建立能够同时预测垂向与水平前后方向、精度更高的人-椅耦合系统座椅传递函数模型，并利用模型对比分析坐垫和靠背接触面的人体视在质量和座椅传递函数对接触条件敏感性的差异。