基于人体腰椎动力学特性分析的高速列车座椅舒适性研究

论文摘要

随着铁路事业的不断发展,铁路高速化己经成为当今世界铁路发展的共同趋势。高速铁路在向着高密度、高速度方向发展的同时,人们对高速列车提出了更高的要求,安全、舒适、方便成为高速列车座椅设计的目标。高速列车座椅是高速列车的重要组成部分,直接关系到乘员乘坐的舒适性。人体脊柱承载着人体的重量与负载,还能够吸收外界环境传递给人体的振动,不正确的坐姿使脊柱产生不正常的弯曲,长时间会产生生理疼痛和心理疲劳,甚至会使脊柱产生慢性损伤。因此,通过有限元法借助生物力学知识对脊柱进行静态和动态分析,对座椅舒适性设计显得尤为重要。在腰椎节段有限元模型的建立过程中,本文基于螺旋CT数据,采用Mimics中提取了腰椎L1-L5节段的轮廓数据并获得腰椎段三维模型,随后导入Hypermesh中进行处理,建立完整的腰椎结构有限元模型。对腰椎结构进行仿真分析,应用Abaqus对腰椎段有限元模型进行静态和动态分析。将生成腰椎段有限元模型导入有限元软件Abaqus中进行不同坐姿下的受力分析。通过对比不同坐姿下的位移、应力分布特点,获得人体舒适的坐姿,为高速列车座椅静态舒适性提供参考依据。应用Abaqus对腰椎段进行模态分析,得到腰椎段的固有频率及振型,并在此基础上对腰椎结构进行稳态动力学分析,得到特殊位置的位移随激励频率变化的响应曲线,获得腰椎结构在简谐激励下的敏感频率,为高速列车列车座椅动态舒适性提供参考。将衰减轨道不平顺功率谱引入到腰椎结构中,通过获得特殊位置的随频率变化的位移响应曲线,分析在不同工况下轨道不平顺对腰椎结构的影响。本文以生物力学及有限元理论为基础,应用现代的CT技术与逆向工程技术,建立腰椎结构模型并进行有限元分析,为座椅的舒适性设计提供参考意见。研究结果对于高速列车座椅的设计要求具有重要的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题的研究背景及意义
• 1.3 国内外有限元的腰椎生物力学研究现状
• 1.3.1 人体脊柱生物力学有限元法研究现状
• 1.3.2 人体脊柱生物力学有限元法的优势与局限
• 1.3.3 人体腰椎有限元法的研究进展
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 人体腰椎生物力学特性与座椅舒适性要求
• 2.1 腰椎解剖结构
• 2.1.1 脊柱结构
• 2.1.2 腰椎解剖结构
• 2.2 骨生物力学特性
• 2.2.1 骨的基本生物力学性能
• 2.2.2 骨组织的生物力学性能
• 2.3 腰椎生物力学特性
• 2.3.1 椎骨的生物力学特性
• 2.3.2 椎间盘的生物力学特性
• 2.3.3 韧带的生物力学特性
• 2.4 高速列车座椅舒适性要求
• 2.4.1 座椅静态舒适性要求
• 2.4.2 座椅动态舒适性要求
• 2.5 本章小结
• 第3章 腰椎段有限元模型的建立及受力分析
• 3.1 医学图象三维重建发展及研究简介
• 3.2 基于CT扫描建模的优点
• 3.3 研究环境及软件介绍
• 3.3.1 Mimics简介
• 3.3.2 Hypermesh简介
• 3.3.3 ABAQUS简介
• 3.4 基于Mimics软件建立腰椎段三维模型
• 3.4.1 导入CT数据
• 3.4.2 阈值分割
• 3.4.3 腰椎L1-L5段区域选取
• 3.4.4 三维建模
• 3.4.5 椎体与后部结构分开
• 3.4.6 椎间盘的建立
• 3.5 在Hypermesh中建立腰椎有限元模型
• 3.5.1 腰椎有限元模型建立
• 3.5.2 单元选取及材料属性
• 3.5.3 网格划分
• 3.6 不同坐姿下腰椎有限元模型受力分析
• 3.6.1 定义约束
• 3.6.2 边界条件
• 3.6.3 载荷条件
• 3.6.4 计算结果
• 3.6.5 结果分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 腰椎结构动态特性分析
• 4.1 腰椎有限元模型模态分析
• 4.1.1 模态分析的理论基础
• 4.1.2 腰椎有限元模型模态分析
• 4.2 腰椎结构的稳态动力学分析
• 4.2.1 稳态动力学简介
• 4.2.2 腰椎结构的稳态动力学分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 车体振动对腰椎结构的影响
• 5.1 引起高速列车振动原因
• 5.1.1 引起高速列车振动的主要因素
• 5.1.2 轨道不平顺
• 5.1.3 轨道谱
• 5.2 腰椎结构随机振动分析
• 5.2.1 轨道高低不平顺对腰椎结构影响分析
• 5.2.2 轨道轨向不平顺对腰椎结构影响分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢