摘 要

本文基于人机工程学和虚拟设计理论，对选定车型的汽车驾驶室进行虚拟设计与人机评价，以期缩短驾驶室设计周期和减轻驾驶员驾驶过程中的疲劳程度。首先利用CATIA软件进行汽车驾驶室内各部件的建模与装配，再利用ANSYS软件对汽车座椅骨架进行模态分析，通过对振型与共振频率的分析，验证所设计的汽车驾驶室的动态舒适性，最后在CATIA人机工程学设计与分析平台对坐姿舒适性、视野与手伸及范围进行了校核，其中坐姿舒适性包括角度校核与快速上肢评价。主要进行的工作如下所示：

（1）对相关的虚拟设计理论进行了深入了解和学习，确定本次设计中所要采用的虚拟设计方法与形式，基本完成对汽车驾驶室设计形成初步构想。

（2）掌握汽车驾驶室设计中要用到的人机工程学理论和布置工具，以期为驾驶室内各部件的布置设计奠定理论基础。

（3）根据国家及行业相关标准，结合虚拟设计理论和人机工程学理论，依次对驾驶室内的踏板、座椅、转向盘、仪表盘、A柱以及汽车顶盖进行布置设计并利用CATIA软件建立三维模型。

（4）根据座椅模型对座椅骨架模型进行构建，并针对座椅骨架模型进行模态分析，得出其6阶振型和共振频率，将共振频率与路面激励频率和人体敏感频率进行分析比较，预测汽车驾驶室的动态舒适性。

（5）在CATIA人机工程学设计与分析平台中分别对坐姿舒适性、视野及手伸范围进行评价，其中坐姿舒适性是先校核驾驶员各关节角度是否位于舒适坐姿下的角度范围内，再使用快速上肢评价功能对人体模型进行评价打分。视野和手伸及范围采用的是直接建立再确定其是否符合基于人机工程学的设计要求。

本文研究的虚拟设计方法能大幅度缩短汽车驾驶室的设计周期、降低设计成本；人机工程学理论则是能减轻驾驶员驾驶过程中的疲劳程度，让人机结合得更为彻底，保证车辆安全行驶；模态分析的加入，保证了驾驶室动态舒适性，减轻驾驶员因车辆振动引起的不舒适感。

关键词：虚拟设计 人机工程学 汽车驾驶室 模态分析 人机评价

Abstract

Based on the theory of ergonomics and virtual design, this paper carries out virtual design and human-vehicle evaluation of the car cabs of selected models in order to shorten the cab design cycle and reduce the driver's fatigue during driving. Firstly, the CATIA is used to model and assemble the components in the car's cab, and then ANSYS is used to perform modal analysis on the car seat skeleton. The dynamic comfort of the designed car cab is verified by analyzing the vibration mode and resonant frequency. In the end, the CATIA ergonomics design and analysis platform was used to check the comfort, field of vision, hand extension, and range of the sitting posture. The comfort of the sitting posture included angle checking and rapid upper limb evaluation. The main work is as follows:
(1) In-depth understanding and study of relevant virtual design theory, determine the virtual design method and form to be used in this design, and basically complete the initial conception of the design of the car cab.
(2) Grasp the ergonomic theory and layout tools to be used in the design of car cabs, in order to lay a theoretical foundation for the layout design of various components in the cab.
(3) According to national and industry-related standards, combined with virtual design theory and ergonomics theory, the layout of the cab's pedals, seats, steering wheel, instrument panel, A-pillar, and automobile top cover is sequentially designed and utilized by CATIA.

(4) The seat skeleton model is constructed according to the seat model, and the modal analysis of the seat skeleton model is performed to obtain the 6th vibration mode and resonance frequency, and the resonance frequency is analyzed with the road excitation frequency and the human sensitive frequency. Compare and predict the dynamic comfort of the car's cab.
(5) Using CATIA to evaluate sitting comfort, field of vision and hand extension range. Among them, sitting comfort is to check whether the angle of the driver's joints is within the angle range of the comfortable sitting posture ,Then use the fast upper limb evaluation function to score the human body model. The field of vision, hand reach, and range are established directly to determine whether it meets ergonomic design requirements.
The virtual design method studied in this paper can greatly shorten the design cycle of the car's cab and reduce the design cost. The ergonomics theory can reduce the driver's fatigue during the driving process, make the combination of the machine more thoroughly and ensure the vehicle. Safe driving; the addition of modal analysis ensures the dynamic comfort of the driver's cab and reduces driver's discomfort caused by vehicle vibration.
Keywords: Virtual design；Ergonomics；Vehicle cab；Modal analysis；Human assessment

目录

第1章 绪论 1

1.1 虚拟设计 1

1.1.1虚拟设计概述 1

1.1.2虚拟设计方法 2

1.2人机工程学概述 3

1.3研究的目的及意义 4

1.4国内外研究现状及发展前景分析 4

1.4.1国内外研究现状分析 5

1.4.2发展前景分析 5

1.5 研究内容 6

1.6本章小结 6

第2章 汽车驾驶室人机工程设计理论与布置工具 7

2.1人体模型 7

2.2 H点设计方法 7

2.2.1 H点概述 8

2.2.2 H点行程 9

2.3 眼椭圆 11

2.3.1眼椭圆概述 11

2.3.2眼椭圆尺寸及定位 11

2.3.3眼椭圆的应用方法 13

2.4头廓包络 13

2.5驾驶员手伸及界面 15

2.6本章小结 16

第3章 汽车驾驶室三维模型的建立 17

3.1 H点行程及R点设计 17

3.2 踏板设计 18

3.2.1 踏板布置形式的确定 19

3.2.2 踏板尺寸及位置的确定 19

3.3驾驶员座椅的布置设计 20

3.3.1座椅的主要设计参数 20

3.3.2人体模型尺寸测量 21

3.3.3座椅参数确定 22

3.4 转向盘的布置及设计 23

3.4.1 轮辐形状的选择 24

3.4.2 转向盘直径与轮缘截面的确定 24

3.4.3转向盘倾角的确定 24

3.4.4 转向盘中心位置的确定 25

3.5 仪表板布置设计 26

3.5.1 眼椭圆尺寸及位置的确定 26

3.5.2 仪表板主断面布置设计 27

3.5.3仪表板区域划分 29

3.5.4副仪表板的布置设计 30

3.6 驾驶室其他部件的布置与设计 31

3.6.1 A柱的布置 31

3.6.2顶盖的布置设计 32

3.7本章小结 33

第4章 汽车座椅的模态分析 34

4.1 汽车座椅模态分析理论 34

4.1.1计算模态分析理论 34

4.2汽车座椅骨架概述 35

4.2.1 靠背骨架 35

4.2.2 坐垫骨架 36

4.2.3 座椅角度调节器 37

4.3 汽车座椅骨架几何建模与简化 37

4.4 汽车座椅骨架模态分析 38

4.4.1 几何处理 38

4.4.2 材料属性 39

4.4.3 连接与约束关系的简化 39

4.4.4 网格划分 39

4.4.5 阶数的选择 40

4.4.6 模态分析结果 40

4.5 本章小结 42

第5章 汽车驾驶室人机工程学仿真分析 43

5.1 人机工程学仿真分析概述 43

5.2 坐姿舒适性检验 44

5.2 驾驶室视野与手触及界面检验 47

5.3 本章小结 48

第6章 结论及展望 49

6.1 论文总结 49

6.2 工作展望 49

参考文献 50

致 谢 52

第1章 绪论

1.1 虚拟设计

1.1.1虚拟设计概述

20世纪后期，新技术革命如雨后春笋般遍地开花，其中最为显著的是以信息技术为核心的高科技产业，这些产业的迅猛发展将人类社会带入了以知识与信息为核心资源的知识经济与信息时代，设计领域的信息化及其网络化顺应了时代发展的趋势。其中，虚拟设计便是设计的信息化和网络化的产物^[1]。虚拟设计是以虚拟现实技术为基础,以机械产品为对象的设计手段,它是在计算机技术、仿真技术、计算机图形学技术、网络技术和多媒体技术等众多的相关技术上发展起来的、以一种新型的、基于自然方式的人机交互设计系统,借助这样的设计系统，设计人员可以通过多种传感器与多维的信息环境进行自然地交互,实现从定性和定量综合集成环境中得到感性和理性的认识,从而帮助深化概念和萌发新意^[2][3][4]。

尽管虚拟设计技术发展时间比较短,在各个方面依然需要不断完善,但现阶段，它在很多方面已经展现出其所具有的极大潜力与优越性。

首先是直接参与性。由于产品设计过程具有数字化的特征,所以大大节省了传统设计中需要制造物理模型而造成的成本,时间也得到大幅度缩短^[5],而且借助虚拟技术，使用者参与设计可以成为现实,从而使产品在投入生产之前获得更为针对性的评价,这极大地方便了设计师对于产品的改进,在以往的设计中,通常是这样的情况，客户提出各种要求，设计师根据这些要求来绘制草图,然后发给客户并咨询意见,客户再对这些草图提出更进一步的要求,接着设计师还需要在初版的基础上进行改进,直至最终绘制出令客户满意的效果图,再制作样机,对样机进行测试与评价,然后根据测评过程中的不足再进行修改,最后到大批量生产等等,这样一个复杂的过程通常给产品的生产额外加大很大的花销,现在通过虚拟设计,可以减少实体模型和样机的制造,同时也能让客户在虚拟环境中感受产品成为现实，从而大幅度缩短产品的开发周期,提高产品的成功率。