【玉米联合收获机驾驶室座椅动态舒适性仿真分析案例3700字】

玉米联合收获机驾驶室座椅动态舒适性仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u16695玉米联合收获机驾驶室座椅动态舒适性仿真分析案例 187291.1人体-座椅系统动力学特性分析 14641.1.1人体-座椅系统模型的处理 173051.1.2人体-座椅系统传递特性分析 271571.2玉米联合收获机工作路面激励特性分析 4305531.2.1路面不平度测量分析 4160961.2.2路面功率谱密度分析 4264061.2.3随机路面时域模型的仿真 635761.3玉米联合收获机座椅动态舒适性仿真分析 897331.4基于吸收功率法驾驶员动态舒适性分析 111.1人体-座椅系统动力学特性分析1.1.1人体-座椅系统模型的处理对汽车而言，当驾驶员坐在座椅上时，主要考虑对人体影响最大的垂直方向的振动，进行分析和计算来对汽车座椅的动态特性进行研究和设计。动力学模型能够表达动力学特性的关键是人体—座椅模型自由度数的确定，人们对人体模型自由度的研究从1自由度到12自由度，但不代表越复杂的模型性能就越好。自由度数过少会导致研究不具有代表性，反之，则导致研究复杂化[64-65]。一般在座椅悬架模型中，把坐姿人体视为一个单一的质量块，是不够准确的。因此，在人体—座椅模型中中加入由质量、弹性和阻尼元件组成的多自由度人体模型是合理的[66]。组成了6自由度的人体—座椅动态模型，处理后的人体-座椅系统模型如图1.1所示。图1.1人体-座椅动力学模型Figure1.1Dynamicsmodelofhumanbody-seatsystem图中，—头颈部、胸部、腰部、臀腿、座垫、悬架质量；—人体和座椅各部分的刚度；—人体和座椅各部分的阻尼；—人体和座椅各部分重心的位移；—座椅输入位移激励。1.1.2人体-座椅系统传递特性分析由牛顿第二定律，得人椅系统振动的微分方程：(1.1)式中，—质量矩阵；—刚度矩阵；—阻尼矩阵；—系数矩阵；—激励向量。具体如下：(1.2)(1.3)(1.4)(1.5)(1.6)(1.7)对式(3.3)进行傅里叶变换，可得(1.8)其中，(1.9)则可以得到(1.10)从而得到该人椅模型响应的传递函数为：(1.11)(1.12)(1.13)人体头部的加速度传递函数表达式为：(1.14)1.2玉米联合收获机工作路面激励特性分析1.2.1路面不平度测量分析玉米联合收获机进行工作时，受到的振动激励来自于起伏过大田间地面，因此田间路面模型的建立对研究驾驶室座椅动态舒适性有关键作用。许多学者已经利用三维随机路面模型虚拟试验的方法对于普通道路车辆行驶平顺性的研究，但是对农业机械车辆的研究还停留在传统实验阶段。在玉米联合收获机的动态舒适性仿真分析中，将建立的路面文件作为动力学模型的输入激励，产生的振动通过车辆底部传递到人体—座椅动力学系统，所以建立能代表实际工作路面的三维模型对提高结果的准确性有很大影响。路面不平度函数是指路面相对于基准水平面的高度q，沿道路走向长度I的变化如图1.2所示。路面不平度函数可直接作为激励信号运用在车辆试验中，如模拟车辆在相应道路上的耐久性试验和动态响应性能等，但在深入分析路面特征与车辆动态响应性能的关系时，需通过地面不平度模型，提取地面不平度特征参数，建立车辆响应与地面不平度特征参数之间的关系，反映地面特征与车辆动态响应性能的内在联系。图1.2路面不平函数Figure1.2Roadroughnessfunction1.2.2路面功率谱密度分析根据GB/T7031-2005[70]规定，路面不平度可用在纵向长度的垂直位移功率谱密度来描述其特性，拟合公式为：(1.15)式中，—路面不平度函数在空间频率上的功率谱密度；—不平度系数；—空间频率；—参考空间频率，一般取；—频率指数；我国国家标准按路面不平度系数把路面不平度分8个等级，如表1.1所示，从A到H路面不平度逐渐增大。根据路面功率谱理论，可以得到与和的关系如下：(1.16)(1.17)式中，—速度功率谱密度；—加速度功率谱密度；当时，式(1.16)、(1.17)可变形为：(1.18)(1.19)由式可以知，使用可以表示发生响应时的空间频率功率谱。描述车速对车辆振动系统的影响，根据车速将空间频率功率谱密度换算为时间频率功率谱密度。关系式如下：(1.20)式中，—时间频率功率谱密度根据公式(1.15)和(1.20)可得：(1.21)表1.1根据不平度划分的路面不平度等级Table1.1Pavementroughnessgradesbyroughness路面等级不平度下限几何平均上限A-1632B3264128C128256512D51210242048E204840968192F81921638432768G3276865536131072H131072262144-因此，为了准确描述时域路面不平度，应用谐波叠加法建立路面不平度位移时域模型。选取车速，取值空间频率范围。根据两者的关系，得到时间频率范围。因为，(1.21)式写成：(1.22)由时间频率范围可得：(1.23)将区间划分成M个小区间，第i个小区间上的功率谱密度值，采用中心频率处的功率谱密度值来表示：(1.24)式中，—小区间中心频率；—区间个数；—频率间隔。在该频率分布范围内的标准差为：(1.25)任意区间的正弦随机信号：(1.26)叠加正弦波，得到随机路面的时域信号激励：(1.27)1.2.3随机路面时域模型的仿真根据我国农业机械行驶路面的实际情况，处于D、E、F三级功率谱密度的路面较为常见。其中D级路面一般为普通碎石路面，E级路面一般为田间路面，F级路面一般为农间特殊工作路面。将上述研究作为理论基础，以D、E、F级路面作为仿真分析的研究对象，运用MATLAB软件建立车速10Km/h下的D、E、F三级随机路面仿真模型，如图1.3、1.4、图1.5所示。图1.3D级路面下的时域仿真Figure1.3TimedomainsimulationofD-classpavement图1.4E级路面下的时域仿真Figure1.5TimedomainsimulationofE-classpavement图1.5F级路面下的时域仿真Figure1.5TimedomainsimulationofF-classpavement从图1.3、图1.4和图1.5可以看出，玉米联合收获机速度较低，保持车辆速度一定的条件下，路面振幅的极值受到随路面等级影响，路面等级越高，振幅越小。1.3玉米联合收获机座椅动态舒适性仿真分析计算机真技术已经在各个领域得到广泛应用，对众多行业的发展起到一定的促进作用。它以信息技术为基础，以相关理论研究为工具，利用现有的模型对系统进行深入研究的综合技术。为了进行人体动态舒适性分析，通过上文的理论分析，在ADAMS中建立的人体—座椅模型进行动态仿真，验证模型的准确性，先对各个部件进行约束，本文研究人体—座椅垂直方向的振动，所以质量块之间建立移动副，保证在不同等级路面激励做上下往复振动。在ADAMS中建立的人椅系统动力学模型如图1.6所示。图1.6人体—座椅系统ADAMS仿真模型Figure1.6ADAMSsimulationmodelofhumanbody-seatsystem为了确保驾驶员的正常行驶工作，也因为汽车座椅阻尼的系数受到制造材料要求、工艺技术等条件的限制，参考《成年人人体惯性参数》[72]对人体和座椅的跟各部分质量、刚度、阻尼等相关参数进行修改，各部分的质量、刚度和阻尼参数，如表1.2所示。表1.2人体动力学参数Table1.2Humandynamicsparameters参数数值参数数值参数数值5.53104241504101104157002.74180.3121001.5本文主要研究人体头部对激励的加速度响应，以人体头部加速度大小为评价标准，以上文中的50%中等身材人体尺寸为例，将上文建立的D、E、F三级随机路面模型数据导出，然后把实验数据作为输入激励导入到ADAMS中，在ADAMS中对座椅的动态舒适性进行仿真分析，如图1.7所示。图1.7随机路面数据导入ADAMS流程Figure1.7TimedomainsimulationofF-classpavement分析玉米联合收获机在D、E、F三级不同路面下的人体头部加速度响应曲线。结果如下图所示：图1.8D级路面下人体头部加速度响应曲线Figure1.8AccelerationresponsecurveofhumanheadunderD-classpavement图1.9E级路面下人体头部加速度响应曲线Figure1.9AccelerationresponsecurveofhumanheadunderE-classpavement图1.10F级路面下人体头部加速度响应曲线Figure1.10AccelerationresponsecurveofhumanheadunderF-classpavement由图1.8、图1.9和图1.10所示，当车速一定时，D级、E级、F级路面下的人体头部加速度响应分别为、、。可以看出随着输入路面激励等级的降低，人体头部加速度响应值按线性规律增长，说明路面激励对驾驶员动态舒适度影响很大，与驾驶员行驶感受相同，确实能够研究玉米联合收获机的动力学特性。将D级、E级、F级路面下的人体头部加速度响应经过变换得到人体头部加速度频域响应曲线。如图1.11、图1.12、图1.13所示，共振频率峰值都在2.5Hz的左右变化，避开了人体的最敏感频率范围。图1.11D级路面下人体头部加速度频域响应曲线Figure1.11FrequencydomainresponsecurveofhumanheadaccelerationunderD-classlpavement图1.12E级路面下人体头部加速度频域响应曲线Figure1.12FrequencydomainresponsecurveofhumanheadaccelerationunderE-classlpavement图1.13F级路面下人体头部加速度频域响应曲线Figure1.13FrequencydomainresponsecurveofhumanheadaccelerationunderF-classlpavement1.4基于吸收功率法驾驶员动态舒适性分析美国军方在研究装甲车舒适性时，经过大量的实验，发现在振动条件下，人体进行能量吸收与人体的舒适性有关。因此对受到振动的驾驶员舒适性的反应提出了一种评价方法——吸收功率法[73-74]。将人体视为弹簧阻尼系统，传输功率包括弹簧和阻尼中的机械能，其中弹簧做功时不消耗能量，所以阻尼中的机械能即为未加权吸收功率，表达式为：(1.28)式中，—初始位移激励；—物块的传递函数；—物块的幅值；—阻尼系数；—角频率；人体对不同频率振动的敏感性也不同，所以国际标准化组织在ISO2631中提出频率加权系数，对不同频率下的人体敏感度进行归一化处理[75]。表1.3垂直方向的频率加权因子Table1.3Frequencyweightingfactorsinverticaldirection频率ƒ（HZ）频率加权因子0.5<ƒ≤20.52<ƒ≤4ƒ/44<ƒ≤12.5112.5<ƒ≤8012.5/ƒ表1.4水平方向的频率加权因子Table1.4Frequencyweightingfactorsinhorizontaldirection频率ƒ（HZ）频率加权因子0.5<ƒ≤212<ƒ≤802/ƒ所以加权吸收功率的表达式为：(1.29)得到总的未加权吸收功率，表达式为：(1.30)同理可得总的加权吸收功率：(1.31)计算全频率内人体各部分未加权吸收功率和加权吸收功率的总和，可以评价驾驶室座椅动态舒适性。(1.32)(1.33)0~20Hz为人体能够满足的吸收功率的振动频率，根据公式(1.32)和(1.33)，分别计算n=20时，人体总未加权吸收功率和总加权吸收功率。当车速为10Km/h时，D、E和F级路面下总的吸收功率。如图1.10和图1.11所示，表1.5不同等级路面的总吸收