學(xué)校名稱

長沙理工大學(xué)

學(xué)生姓名

學(xué)  號(hào)

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(xiàng)目所屬

一級(jí)學(xué)科

機(jī)械工程

項(xiàng)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(xiàng)《坡口機(jī)的設(shè)計(jì)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(jì)》

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

        2016年學(xué)院科技立項(xiàng)《FSAE空氣動(dòng)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(dòng)力學(xué)套件的設(shè)計(jì)、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(xiàng)目《車輛動(dòng)力學(xué)特性和路口交通信號(hào)影響下的車輛動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃研究》，項(xiàng)目編號(hào)：51475048，2015-2018

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

[3]主持，教育部留學(xué)回國人員科研啟動(dòng)基金《基于路口交通信號(hào)延時(shí)的動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃研究》，項(xiàng)目編號(hào)：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(dá)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(dá)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(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

研究目的：

本項(xiàng)目是在汽車人機(jī)工程學(xué)基礎(chǔ)上，通過對(duì)人、機(jī)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(jì)。采用實(shí)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(duì)人-車-環(huán)境進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真。最后，結(jié)合有限元分析、拓?fù)鋬?yōu)化，設(shè)計(jì)完成車架。這些研究將為優(yōu)化FSC車架及其他組件設(shè)計(jì)提供重要的參考。

    具體的預(yù)期實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為：

  1、設(shè)計(jì)FSC人機(jī)實(shí)驗(yàn)方案，制作實(shí)驗(yàn)所用的測量工具；

  2、實(shí)驗(yàn)獲得人機(jī)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(jì)出FSC車架。

內(nèi)容：

1、基于汽車人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)并完成FSC人機(jī)實(shí)驗(yàn)

    本項(xiàng)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(dòng)中的心理特征等）、人機(jī)系統(tǒng)入手，運(yùn)用人體測量學(xué)、生物力學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行分析，結(jié)合已有的汽車人機(jī)試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)出合理的FSC人機(jī)工程實(shí)驗(yàn)方案。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：

 （1）實(shí)驗(yàn)所用的測量工具的開發(fā)

    （2）確定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的參考標(biāo)準(zhǔn)

    以我國的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10000-1988 《中國成年人人體尺寸》（按照人機(jī)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(jī)工程學(xué)測量標(biāo)準(zhǔn)，制定本實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 國家標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)方案完成實(shí)驗(yàn)，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及仿真模型的建立

    基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析出人在最舒適、操作最佳條件下的人機(jī)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(jì)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(yùn)用UG軟件，對(duì)其三維人體模型及汽車設(shè)計(jì)工具進(jìn)行二次開發(fā)。借鑒國內(nèi)外以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將參數(shù)導(dǎo)入UG人體模型工具中，得到與實(shí)際人體基本相同的模型，并且實(shí)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(yùn)動(dòng)。結(jié)合UG汽車設(shè)計(jì)工具，對(duì)人-車-環(huán)境進(jìn)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(jì)優(yōu)化方案

    基于實(shí)驗(yàn)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(jì)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(yàn)優(yōu)化方案的可靠性，進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化方案。

4、設(shè)計(jì)完成FSC車架

    在以上數(shù)據(jù)的前提下，設(shè)計(jì)完成FSC賽車的車架、座椅等。將車架模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析。具體包括：結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析；滿載時(shí)的彎曲、扭轉(zhuǎn)、制動(dòng)及高速過彎工況下的分析；模態(tài)分析。對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行研究，進(jìn)一步改進(jìn)車架設(shè)計(jì)，提高車架的扭轉(zhuǎn)剛度，且實(shí)現(xiàn)輕量化。

主要問題：

1、實(shí)驗(yàn)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(jī)工具開

發(fā)方法難以設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)測量工具。如何在保證測量工具科學(xué)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化問題

 由于本實(shí)驗(yàn)參考的標(biāo)準(zhǔn)是普通乘用車人機(jī)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)難以滿足本項(xiàng)目目的。確立一套針對(duì)于FSC的人機(jī)工程參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)需要解決的關(guān)鍵問題。

3、計(jì)算機(jī)軟件分析與實(shí)際的差別

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

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)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(jì)理念使得人機(jī)工程學(xué)在汽車設(shè)計(jì)中的作用日益明顯。能否很好的結(jié)合人機(jī)工程學(xué)進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)，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(jī)工程學(xué)是20世紀(jì) 80 年代初期開始發(fā)展起來。各項(xiàng)人機(jī)工程學(xué)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，但還沒有形成一套完整的汽車設(shè)計(jì)和法規(guī)校核的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中，大多數(shù)主機(jī)廠仍然參考美國的SAE 標(biāo)準(zhǔn)。

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

國外研究現(xiàn)狀：

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

國外的汽車車身人機(jī)工程設(shè)計(jì)經(jīng)歷了利用實(shí)物型二維人體模板、計(jì)算機(jī)環(huán)境中的二維人體模板的階段，在車身設(shè)計(jì)三維系統(tǒng)的應(yīng)用日益普及的背景下，為了實(shí)現(xiàn)車身設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)紛紛獨(dú)立或聯(lián)合進(jìn)行了用于汽車人機(jī)工程設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)：

現(xiàn)代人機(jī)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(shí)，既要靠眼睛來觀察環(huán)境，又要靠細(xì)致的注視來完成精確的控制動(dòng)作，通過人機(jī)工程技術(shù)分析，就可知道人在操作時(shí)如何分配注意力、體力，同時(shí)了解儀表、屏幕以及外視景如何設(shè)計(jì)和合理分配才能獲得最好的人機(jī)交互，既減輕操作人員的工作負(fù)荷又避免出錯(cuò)，切實(shí)提高人機(jī)工效。這對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)化控制、交通運(yùn)輸、工業(yè)設(shè)計(jì)、軍事領(lǐng)域以及社會(huì)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(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造等問題的解決都有著重要的參考價(jià)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(jìn)展，并且應(yīng)用到汽車、航空等廣泛領(lǐng)域中。在國內(nèi)，對(duì)很多汽車公司來說，如何更好的將汽車人機(jī)工程設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)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(xiàng)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(xiàng)目成員已閱讀了相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目所涉及的知識(shí)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(xiàng)目的相關(guān)細(xì)節(jié)，總結(jié)先前的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，用于自身項(xiàng)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(jì)算機(jī)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(xiàng)目的研究奠定了基礎(chǔ)。

利用課余時(shí)間，我們做了初步的人機(jī)測量工具模型，并且完成了初步的人機(jī)實(shí)驗(yàn)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(jī)測量工具模型

圖5 部分人體參數(shù)

項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色：

本項(xiàng)目涉及計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)仿真人體模型和人-車系統(tǒng)中考慮FSC車架優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究屬大學(xué)生高新技術(shù)范圍，本項(xiàng)目是FSC賽車設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。在國內(nèi)大學(xué)生中，對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的研究處于起步階段，本項(xiàng)目的研究成果可為FSC人機(jī)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(jìn)行創(chuàng)新，優(yōu)化開發(fā)過程提高效率。采用計(jì)算機(jī)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(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的差別，導(dǎo)致賽車整體設(shè)計(jì)有欠缺，影響到車手實(shí)際操作和生理反應(yīng)（心理、肌肉疲勞等）。本項(xiàng)目基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行人-車-環(huán)境的模擬仿真，探究FSC賽車人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)。運(yùn)用CAD及CAE軟件，可為設(shè)計(jì)提供優(yōu)化數(shù)據(jù)。

項(xiàng)目的技術(shù)路線及預(yù)期成果 

年度目標(biāo)和工作內(nèi)容

1、2017年5月至2017年6月

    進(jìn)一步閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，查找相關(guān)資料，對(duì)已發(fā)表的人機(jī)工程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析總結(jié)，探討車輛不同設(shè)計(jì)目標(biāo)、不同駕駛環(huán)境、不同人機(jī)界面對(duì)人機(jī)實(shí)驗(yàn)的影響?？偨Y(jié)討論內(nèi)容，籌劃設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(yùn)用UG軟件畫出測量工具的模型，加工制造出測量工具，進(jìn)行調(diào)試改進(jìn)。

3、2017年11月至2018年3月

    使用測量工具完成人機(jī)實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)。將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探討FSC賽車的人機(jī)參數(shù)，確定本賽季賽車的人機(jī)參數(shù)范圍。根據(jù)分析后所得數(shù)據(jù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬仿真，借此確定本賽季賽車結(jié)構(gòu)及人機(jī)交互界面的初步設(shè)計(jì)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(jìn)行改進(jìn)，確定車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的同時(shí)，不斷地運(yùn)用有限元分析軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，不斷完善車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直至車架設(shè)計(jì)最終完成。

指導(dǎo)教師意見

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