借助生物力学模型评估人体对振动的响应

根据其大小及频率，振动可能会让人感到不适甚至疼痛。当置身于振动环境中时，我们自然能感受到它的影响。如果能绘制出各个人体部位对它的响应，会不会很有意思呢？现在，您可以通过博客中的多体模型来模拟人体对振动的动态响应。

在汽车中的应用

不论是家离公司很远还是遇到堵车，每天都会有许多人花大量时间在路上。如果晚上没事，您可能还会觉得这是个不错的放松机会，可以听听您最喜欢的 CD 或电台。但如果当天的日程比较紧张，急着赶去目的地的时候，漫长的通勤会让您觉得非常沮丧。不论哪种情况，车内的舒适度都是保证您驾驶体验愉快的一个重要因素。

开车上路时，您可能已经发觉有时会从座椅传来振动的感觉。这类振动可能有多个来源，比如路况、车速、引擎振动和车辆座椅的设计。除了会让您觉得不适外，长时间经受这类振荡下还可能影响您的健康，会让您觉得疲劳甚至感到疼痛。随着人们对振动影响的关注不断提升，一些车型在座椅设计中加装了隔振器，希望能尽量减少这类影响。

汽车座椅也可能是振动源。（”Sedile in pelle di un’Alfa Romeo Giulietta” 图片为 Pava 自行拍摄。已获Creative Commons Attribution Share-Alike 3.0授权，并通过Wikimedia Commons分享）。

我们可以通过由多体动力学模块开发的生物力学模型模拟人体对这类振动的响应，从而帮助优化隔振器的设计以及分析驾乘质量。

在生物力学模型中建立连接

我们可以通过坐姿人体的生物力学模型进行此类分析。设计模型时，我们应重点解决人体的复杂性以及不同身体部位间的连接。在本示例中，我们重点分析了振动对六个不同身体部位的影响：头部、躯干、内脏、骨盆、大腿和小腿。每个部位可以作为集中质量处理，并被定义为一个刚体。

为了近似各个身体部位之间的连接，我们对两个相连部位间的相对运动使用了平移和旋转阻尼器及弹簧，将这种连接作为弹性版的固定关节进行模拟；并得到了相连身体部位之间平移及旋转的刚度及阻尼值。

使用固定关节模拟与座椅直接接触的身体部位（腿、大腿和骨盆）之间的连接，并模拟了作为振动源的座椅本身。为了模拟座椅的减震效果，我们可以在需要时加上关节弹性。

注意：除了模拟座椅本身，我们还在三个垂直输入激励为 1 m/s²的位置应用了基部运动节点。

评估振动对人体的影响

我们先从特征频率分析开始，以便确定振动的阻尼和无阻尼固有频率。

下图是无阻尼模型中的旋转特征模式。我们在头部和躯干中观察到了明显的旋转运动；模型其他部分的运动相对较少。

我们接着分析了阻尼模型中的平移特征模式。从第一个主要平移特征模式的结果来看，头部、骨盆和内脏会向下运动，同时未在其他部位发现明显的运动，如下图所示。

下图为第二个主要平移特征模式，可以看到头部、躯干和骨盆出现了向下的位移，内脏则会向上运动。

频率响应分析

我们接着对固有频率执行了频率响应分析，以分析三个不同的元素：垂直传递率、旋转传递率和表观质量。

我们首先分析了垂直传递率。垂直传递率指头的垂直加速度和座椅的输入加速度之比。与激励频率相比，我们发现主共振在 4-6 Hz 的范围内可见；次共振在 8-10 Hz 的范围内可见。

垂直传递率 vs. 激励频率。

旋转传递率是头部的角加速度和座椅的输入加速度之比。如果传递率的值较高，可能会增加不适感，并影响视野，所以应尽量避免。下图显示了传递率随激励频率的变化。

旋转传递率 vs. 激励频率。

最后，表观质量是座椅的力与座椅的输入加速度之比。它表示了模型中驱动点而非末端点的特征。

表观质量 vs. 激励频率。

结束语

我们在博客中向您介绍了人体的生物力学模型，并重点介绍了它在汽车行业的应用。我们向您演示了如何通过多体动力学接口模拟各个人体部位，不同部位之间的连接，及各部位对整个人体振动的动态响应。

模型下载

• 坐姿人体的生物力学模型