學(xué)校名稱

長沙理工大學(xué)

學(xué)生姓名

學(xué)  號

專 業(yè)

性 別

入 學(xué) 年 份

王培淋

201569030106

車輛工程

男

2015

彭峰

201552030213

測控技術(shù)與儀器

男

2015

何南奇

201569030221

車輛工程

男

2015

曾奕櫳

201548030130

材料成型及控制

男

2015

指導(dǎo)教師

胡林

職稱

副教授

項目所屬

一級學(xué)科

機械工程

項目科類(理科/文科)

理科

學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況

王培淋：2016年學(xué)院科技立項《坡口機的設(shè)計及制造》

        2017學(xué)校挑戰(zhàn)杯《方程式賽車關(guān)鍵零部件的創(chuàng)新性設(shè)計》

何南奇：2017學(xué)校大創(chuàng)《FSAE空氣動力學(xué)套件的設(shè)計、分析與制作》

        2016年學(xué)院科技立項《FSAE空氣動力學(xué)套件的優(yōu)化分析制作》

曾奕櫳：2017學(xué)校大創(chuàng)《FSAE空氣動力學(xué)套件的設(shè)計、分析與制作》

指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況

[1]主持，國家自然科學(xué)基金面上項目《車輛動力學(xué)特性和路口交通信號影響下的車輛動態(tài)路徑規(guī)劃研究》，項目編號：51475048，2015-2018

[2]主持，湖南省自然科學(xué)基金面上項目《車輛動力學(xué)及駕駛?cè)诵袨橛绊懴碌能囕v路徑規(guī)劃研究》，項目編號：2015JJ2001，2015-2017

[3]主持，教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金《基于路口交通信號延時的動態(tài)路徑規(guī)劃研究》，項目編號：教外司留【2012】1707， 2013-2015

[4]主持，中國汽車技術(shù)研究中心北京工作部（北京卡達克科技中心）橫向課題《中國交通事故深入研究前期數(shù)據(jù)庫開發(fā)》， 2013-2016

[5]主持，中國汽車技術(shù)研究中心北京工作部（北京卡達克科技中心）橫向課題《交通事故中AEB系統(tǒng)有效性數(shù)據(jù)庫開發(fā)研究》， 2014-2015

項目研究和實驗的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

研究目的：

本項目是在汽車人機工程學(xué)基礎(chǔ)上，通過對人、機具、環(huán)境之間相互關(guān)系規(guī)律的研究，優(yōu)化FSC車架的設(shè)計。采用實測法，測量研究人的形體與環(huán)境之間的關(guān)系，采用模擬仿真法，對人-車-環(huán)境進行計算機模擬仿真。最后，結(jié)合有限元分析、拓撲優(yōu)化，設(shè)計完成車架。這些研究將為優(yōu)化FSC車架及其他組件設(shè)計提供重要的參考。

    具體的預(yù)期實驗?zāi)繕藶椋?/span>

  1、設(shè)計FSC人機實驗方案，制作實驗所用的測量工具；

  2、實驗獲得人機參數(shù)、分析數(shù)據(jù)提出車架優(yōu)化方案，建立仿真模型；

  3、以仿真模型為參考，根據(jù)FSC大賽規(guī)則，設(shè)計出FSC車架。

內(nèi)容：

1、基于汽車人機工程學(xué)設(shè)計并完成FSC人機實驗

    本項目將從人體特性（人體形態(tài)特征參數(shù)、人的感知特性以及人在勞動中的心理特征等）、人機系統(tǒng)入手，運用人體測量學(xué)、生物力學(xué)理論知識進行分析，結(jié)合已有的汽車人機試驗方法，設(shè)計出合理的FSC人機工程實驗方案。具體實驗內(nèi)容包括：

 （1）實驗所用的測量工具的開發(fā)

    （2）確定實驗數(shù)據(jù)的參考標準

    以我國的國家標準GB/T10000-1988 《中國成年人人體尺寸》（按照人機工程學(xué)的要求提供的基本數(shù)據(jù)）為參考，結(jié)合現(xiàn)有汽車人機工程學(xué)測量標準，制定本實驗獲得數(shù)據(jù)的標準要求。

圖1 國家標準GB/T10000-1988 《中國成年人人體尺寸》靜態(tài)示意圖

   圖2 操縱件的手腳伸及性                   圖 3 駕駛者的舒適性  

    （3）根據(jù)實驗方案完成實驗，獲得實驗數(shù)據(jù)

2、實驗數(shù)據(jù)的分析及仿真模型的建立

    基于實驗數(shù)據(jù)，分析出人在最舒適、操作最佳條件下的人機參數(shù)（包括：駕駛姿勢、座椅結(jié)構(gòu)、踏板及方向盤的距離和角度等）。測量統(tǒng)計所有車手人體參數(shù)，取其平均值，作為人體模型的基本參數(shù)。

    運用UG軟件，對其三維人體模型及汽車設(shè)計工具進行二次開發(fā)。借鑒國內(nèi)外以往設(shè)計經(jīng)驗，基于實驗數(shù)據(jù)，將參數(shù)導(dǎo)入UG人體模型工具中，得到與實際人體基本相同的模型，并且實現(xiàn)人體在三維空間的旋轉(zhuǎn)、彎曲與伸展、內(nèi)收與外展運動。結(jié)合UG汽車設(shè)計工具，對人-車-環(huán)境進行仿真，獲得視野、座椅曲線、手可觸及區(qū)等數(shù)據(jù)。

3、研究FSC車架設(shè)計優(yōu)化方案

    基于實驗數(shù)據(jù)結(jié)果和仿真分析結(jié)果，根據(jù)大賽規(guī)則和本賽季賽車總布置要求，討論車架的設(shè)計優(yōu)化方案。優(yōu)化方向包括：車架的主環(huán)和前環(huán)的高度、寬度、傾角；座椅的高度、寬度、靠背弧度；賽車踏板位置、角度；方向盤高度、具體位置等。

    在優(yōu)化方案確立后，搭建簡易的物理模型來檢驗優(yōu)化方案的可靠性，進一步改進優(yōu)化方案。

4、設(shè)計完成FSC車架

    在以上數(shù)據(jù)的前提下，設(shè)計完成FSC賽車的車架、座椅等。將車架模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，對其進行力學(xué)、動力學(xué)分析。具體包括：結(jié)構(gòu)強度分析；滿載時的彎曲、扭轉(zhuǎn)、制動及高速過彎工況下的分析；模態(tài)分析。對分析結(jié)果進行研究，進一步改進車架設(shè)計，提高車架的扭轉(zhuǎn)剛度，且實現(xiàn)輕量化。

主要問題：

1、實驗測量工具制作問題

 由于人體特征參數(shù)繁多、FSC賽車與乘用車的差別，采用傳統(tǒng)的人機工具開

發(fā)方法難以設(shè)計本實驗測量工具。如何在保證測量工具科學(xué)準確性情況下，減少工具開發(fā)的周期、減少從開發(fā)成本？如何調(diào)試測量工具保證其可操作性？如何提高工具的使用效率？

2、參數(shù)的標準化問題

 由于本實驗參考的標準是普通乘用車人機參數(shù)標準，外加規(guī)則“滿足95%男

性人體特征”的要求，此乘用車參數(shù)標準難以滿足本項目目的。確立一套針對于FSC的人機工程參數(shù)標準是一個需要解決的關(guān)鍵問題。

3、計算機軟件分析與實際的差別

    本項目運用MATLAB仿真、ANSYS有限元分析等計算機軟件，當(dāng)使用這些軟件進行數(shù)據(jù)分析時，其數(shù)據(jù)結(jié)果與實際情況存在不可避免的誤差。如何減少計算機軟件分析與實際數(shù)據(jù)的誤差，是將理論與實踐結(jié)合的關(guān)鍵。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

國內(nèi)研究現(xiàn)狀：

隨著汽車的普及和車速的提高，人們越來越注重車輛的安全性和舒適性，以人為本的設(shè)計理念使得人機工程學(xué)在汽車設(shè)計中的作用日益明顯。能否很好的結(jié)合人機工程學(xué)進行汽車設(shè)計，成為現(xiàn)代汽車企業(yè)成功研發(fā)新車型的關(guān)鍵。

我國的汽車人機工程學(xué)是20世紀 80 年代初期開始發(fā)展起來。各項人機工程學(xué)的技術(shù)標準正在陸續(xù)制定?，F(xiàn)在已經(jīng)制定了《人體測量方法》、《中國成年人人體尺寸》等國家標準，但還沒有形成一套完整的汽車設(shè)計和法規(guī)校核的標準規(guī)范。在汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中，大多數(shù)主機廠仍然參考美國的SAE 標準。

總的來說，目前國內(nèi)的研究只能用于特定的環(huán)境，擴展性和移植性較差。

國外研究現(xiàn)狀：

國外的人機工程學(xué)已經(jīng)有多年的發(fā)展歷史。隨著對人、機器、環(huán)境的進一步認識，以及對人體潛力和局限的研究，人機工程的應(yīng)用逐步走向了實用階段，特別是在航天飛行器安全設(shè)計、汽車設(shè)計、家居環(huán)境設(shè)計、辦公室空間設(shè)計等方面，人機工程已經(jīng)成為了設(shè)計是否成功的決定因素。

國外的汽車車身人機工程設(shè)計經(jīng)歷了利用實物型二維人體模板、計算機環(huán)境中的二維人體模板的階段，在車身設(shè)計三維系統(tǒng)的應(yīng)用日益普及的背景下，為了實現(xiàn)車身設(shè)計各學(xué)科的協(xié)同化和并行化,國外的汽車企業(yè)、高校和科研機構(gòu)紛紛獨立或聯(lián)合進行了用于汽車人機工程設(shè)計的數(shù)字化人體建模系統(tǒng)的理論研究。

國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)：

現(xiàn)代人機系統(tǒng)中，作業(yè)人員是在特定環(huán)境中操作和管理復(fù)雜系統(tǒng)和各種數(shù)字化設(shè)備，當(dāng)人在這種環(huán)境中工作時，既要靠眼睛來觀察環(huán)境，又要靠細致的注視來完成精確的控制動作，通過人機工程技術(shù)分析，就可知道人在操作時如何分配注意力、體力，同時了解儀表、屏幕以及外視景如何設(shè)計和合理分配才能獲得最好的人機交互，既減輕操作人員的工作負荷又避免出錯，切實提高人機工效。這對于計算機系統(tǒng)、自動化控制、交通運輸、工業(yè)設(shè)計、軍事領(lǐng)域以及社會系統(tǒng)中重大事變的應(yīng)急指揮和組織系統(tǒng)、復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)中的故障快速處理、系統(tǒng)重構(gòu)與修復(fù)、復(fù)雜壞境中仿人機器人的設(shè)計與制造等問題的解決都有著重要的參考價值。

目前，國外在二維人體模板向三維數(shù)字化人體模型轉(zhuǎn)變過程中，取得了很大的進展，并且應(yīng)用到汽車、航空等廣泛領(lǐng)域中。在國內(nèi)，對很多汽車公司來說，如何更好的將汽車人機工程設(shè)計和評價集成到汽車產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境之中是當(dāng)前需要解決的問題。

本項目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績

目前為止，本項目成員已閱讀了相關(guān)文獻，對整個項目所涉及的知識有了初步的學(xué)習(xí)了解。在與其他高校學(xué)生交流過程中，共同探討了本項目的相關(guān)細節(jié)，總結(jié)先前的實驗經(jīng)驗，用于自身項目的研究。

在軟件應(yīng)用方面，本組成員已經(jīng)初步掌握了計算機模擬仿真軟件（MATLAB）、有限元分析軟件（ANSYS）、三維建模軟件（UG）等基礎(chǔ)操作，為本項目的研究奠定了基礎(chǔ)。

利用課余時間，我們做了初步的人機測量工具模型，并且完成了初步的人機實驗如圖4所示，得到了如圖5所示的部分人體參數(shù)。

圖4 人機測量工具模型

圖5 部分人體參數(shù)

項目的創(chuàng)新點和特色：

本項目涉及計算機工程、車輛工程、人體測量學(xué)、生物力學(xué)、心理學(xué)等多學(xué)科的交叉研究領(lǐng)域，在計算機仿真人體模型和人-車系統(tǒng)中考慮FSC車架優(yōu)化設(shè)計的研究屬大學(xué)生高新技術(shù)范圍，本項目是FSC賽車設(shè)計研究領(lǐng)域的進一步發(fā)展。在國內(nèi)大學(xué)生中，對這個領(lǐng)域的研究處于起步階段，本項目的研究成果可為FSC人機工程學(xué)奠定理論基礎(chǔ)和提供有效的研究方法和工具。

創(chuàng)新之處在于：

    1、研究方法的創(chuàng)新

    將傳統(tǒng)測量工具開發(fā)的過程進行創(chuàng)新，優(yōu)化開發(fā)過程提高效率。采用計算機模擬仿真和有限元分析方法探索FSC車架優(yōu)化方案是解決車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化和賽車整體布置問題的有效途徑。

    2、分析工具的創(chuàng)新

    人-機-環(huán)境系統(tǒng)的差別，導(dǎo)致賽車整體設(shè)計有欠缺，影響到車手實際操作和生理反應(yīng)（心理、肌肉疲勞等）。本項目基于實驗數(shù)據(jù)，進行人-車-環(huán)境的模擬仿真，探究FSC賽車人機交互界面的設(shè)計。運用CAD及CAE軟件，可為設(shè)計提供優(yōu)化數(shù)據(jù)。

項目的技術(shù)路線及預(yù)期成果 

年度目標和工作內(nèi)容

1、2017年5月至2017年6月

    進一步閱讀相關(guān)文獻，查找相關(guān)資料，對已發(fā)表的人機工程實驗進行分析總結(jié)，探討車輛不同設(shè)計目標、不同駕駛環(huán)境、不同人機界面對人機實驗的影響?？偨Y(jié)討論內(nèi)容，籌劃設(shè)計實驗測量工具的開發(fā)，確定制造方案。

2、2017年7月至2017年10月

    運用UG軟件畫出測量工具的模型，加工制造出測量工具，進行調(diào)試改進。

3、2017年11月至2018年3月

    使用測量工具完成人機實驗，記錄數(shù)據(jù)。將所得數(shù)據(jù)進行分析，探討FSC賽車的人機參數(shù)，確定本賽季賽車的人機參數(shù)范圍。根據(jù)分析后所得數(shù)據(jù)，運用計算機軟件進行模擬仿真，借此確定本賽季賽車結(jié)構(gòu)及人機交互界面的初步設(shè)計方案。

4、2018年4月至2018年5月

   根據(jù)大賽規(guī)則，將已確定的初步方案進行改進，確定車架結(jié)構(gòu)設(shè)計。在設(shè)計的同時，不斷地運用有限元分析軟件進行動態(tài)分析，不斷完善車架結(jié)構(gòu)設(shè)計，直至車架設(shè)計最終完成。

指導(dǎo)教師意見

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