張明晶 鄭麗麗 康意誼

【摘 要】文章針對(duì)虛擬設(shè)計(jì)階段安全帶人機(jī)舒適性難于預(yù)計(jì)和評(píng)價(jià)的問(wèn)題，使用RAMSIS軟件進(jìn)行了某車型駕駛員安全帶人機(jī)舒適性分析，闡述了基于RAMSIS軟件的汽車安全帶人機(jī)舒適性分析流程，體現(xiàn)了RAMSIS軟件的優(yōu)勢(shì)所在。該研究結(jié)果填補(bǔ)了RAMSIS軟件在汽車安全帶人機(jī)舒適性分析中的應(yīng)用空白，同時(shí)結(jié)果表明RAMSIS軟件的應(yīng)用可為工程師在虛擬設(shè)計(jì)階段明確安全帶設(shè)計(jì)和改進(jìn)方向提供充足依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】駕駛員；安全帶；人機(jī)舒適性；RAMSIS

【中圖分類號(hào)】U462 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）01-0105-04

隨著人們生活水平的提高和法律法規(guī)的不斷完善，人們對(duì)汽車乘坐舒適性和安全性的要求越來(lái)越高。安全帶作為保障汽車和乘坐人員安全的重要設(shè)備，在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，能有效地減少乘員及車輛受到的損傷[1]。目前，世界各國(guó)均制定了佩戴安全帶的強(qiáng)制法規(guī)。在我國(guó)，公安部于1992年11月15日頒布通告，規(guī)定從1993年7月1日起，所有小客車（包括轎車、吉普車、面包車、微型車）駕駛?cè)撕颓芭抛塑嚾?，必須使用安全帶?！兜缆方煌ò踩ā返谖迨粭l也規(guī)定：機(jī)動(dòng)車行駛時(shí)，駕駛?cè)?、乘坐人員應(yīng)該按規(guī)定使用安全帶。因此，安全帶的人機(jī)舒適性成為影響整車人機(jī)舒適性的必要因素。在安全帶布置時(shí)，對(duì)安全帶的人機(jī)舒適性進(jìn)行校核就顯得尤為必要。

傳統(tǒng)的汽車安全帶人機(jī)舒適性通常需要在虛擬設(shè)計(jì)后期制造模型車進(jìn)行評(píng)估，甚至在虛擬設(shè)計(jì)結(jié)束后制造實(shí)車進(jìn)行驗(yàn)證，這種方法評(píng)估之后帶來(lái)的更改會(huì)引起開(kāi)發(fā)周期的延長(zhǎng)或者模具的重大更改，增加設(shè)計(jì)成本和時(shí)間。目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了諸如DI-Guy[2]、JACK[3]、Joint Motion[4]等各種基于虛擬人技術(shù)的人機(jī)工程分析軟件，這類軟件被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)中。尤其是近幾年來(lái)，由德國(guó)各大汽車制造廠家及其他公司共同研發(fā)的RAMSIS三維人機(jī)工程分析系統(tǒng)在各主機(jī)廠商的設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用和好評(píng)[5]。RAMSIS軟件的功能之一是進(jìn)行汽車安全帶人機(jī)舒適性分析，但是基于RAMSIS軟件的汽車安全帶人機(jī)舒適性分析研究在國(guó)內(nèi)仍處于空白狀態(tài)，因此，本文將基于RAMSIS軟件進(jìn)行某車型駕駛員安全帶人機(jī)舒適性分析。

1 RAMSIS簡(jiǎn)介

RAMSIS是意思為“用于乘員仿真的計(jì)算機(jī)輔助人體數(shù)字系統(tǒng)”的德語(yǔ)縮寫(xiě)，是一種基于虛擬人技術(shù)的高效CAD工具。該軟件提供了一個(gè)可快速編輯的人體模型，能夠?yàn)楣こ處熖峁└鞣N虛擬的人體姿態(tài)，甚至建立符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字人體數(shù)據(jù)庫(kù)。

RAMSIS的主要功能在于自動(dòng)化的人機(jī)工程分析和評(píng)價(jià)。該軟件具備人體姿勢(shì)模擬、視野分析、可及性分析、舒適性分析等多種人機(jī)工程分析功能，用戶可以直接在RAMSIS軟件中創(chuàng)建CAD模型，也可從其他CAD工具（例如UG、CATIA等）導(dǎo)入模型，并根據(jù)用戶需求來(lái)定義人體模型的性別、年齡、時(shí)代、百分位和姿勢(shì)等，進(jìn)行相關(guān)的人機(jī)工程分析，并可一定程度上給出人機(jī)工程評(píng)價(jià)結(jié)果，以加快工程師進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析和結(jié)果評(píng)估。

與使用實(shí)車進(jìn)行人機(jī)工程評(píng)價(jià)的傳統(tǒng)方法相比，RAMSIS主要具備以下優(yōu)勢(shì)：節(jié)省時(shí)間和成本，無(wú)需消耗大量資源制造模擬樣車，設(shè)計(jì)初期即可開(kāi)展人機(jī)工程分析；有效整合設(shè)計(jì)理論、原理、數(shù)據(jù)和方法；對(duì)汽車工業(yè)的高度專注[6]；簡(jiǎn)單便捷的操作和齊全的人機(jī)工程分析功能。因此，RAMSIS軟件已經(jīng)在全球70%以上的轎車制造商中使用[6]。

2 基于RAMSIS的汽車安全帶人機(jī)舒適性分析流程和方法

安全帶的人機(jī)舒適性分析作為RAMSIS軟件的重要功能之一，其工作過(guò)程通常遵循一定的流程和方法。

2.1 RAMSIS進(jìn)行汽車安全帶人機(jī)舒適性分析的流程

RAMSIS進(jìn)行汽車安全帶人機(jī)舒適性分析通常遵循圖1所示的流程。

該流程為RAMSIS進(jìn)行汽車安全帶人機(jī)舒適性分析的過(guò)程框架，工程師可根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)際情況進(jìn)行簡(jiǎn)化或者細(xì)化，以便靈活地運(yùn)用RAMSIS的快速分析能力。

2.2 RAMSIS進(jìn)行汽車安全帶人機(jī)舒適性分析的方法

RAMSIS軟件分析安全帶人機(jī)舒適性主要有以下2種方法。

一是eBTD分析方法，該方法通過(guò)設(shè)置人體姿態(tài)、安全帶固定點(diǎn)等約束，進(jìn)行安全帶人機(jī)舒適性分析。該方法建立的人體模型是大小固定的假人模型，不能分析不同人群佩戴安全帶的人機(jī)舒適性，但是通過(guò)該方法進(jìn)行的安全帶人機(jī)舒適性校核，軟件會(huì)依據(jù)加拿大法規(guī)自動(dòng)評(píng)估安全帶人機(jī)舒適性是否滿足要求。

二是Manikin分析方法，該方法的安全帶參數(shù)設(shè)置過(guò)程與eBTD方式相同。該方法建立的人體模型可以根據(jù)用戶需求選取和設(shè)置，人體姿勢(shì)可以自定義，能夠更詳細(xì)和準(zhǔn)確地模擬不同乘員佩戴安全帶的人機(jī)舒適性，但是使用該方法計(jì)算的人機(jī)舒適性結(jié)果，RAMSIS軟件不能自動(dòng)判斷其是否滿足要求，需要人為觀察評(píng)判。

3 基于RAMSIS的某車型駕駛員安全帶人機(jī)舒適性分析

該車型為一款改型車，因此，在進(jìn)行RAMSIS分析時(shí)，可在圖1所示的流程基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化操作，在進(jìn)行簡(jiǎn)單的前期準(zhǔn)備工作之后，可直接進(jìn)行安全帶人機(jī)舒適性后期校核。

3.1 前期準(zhǔn)備工作

前期準(zhǔn)備工作主要集中在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的建立和安全帶相關(guān)信息確定上。

3.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的建立主要包括SgRP點(diǎn)、AHP點(diǎn)、FRP點(diǎn)和BOF點(diǎn)的確定以及座椅配置的確定。

該車型SgRP點(diǎn)、AHP點(diǎn)、FRP點(diǎn)和BOF點(diǎn)根據(jù)GB/T 29120—2012中規(guī)定的程序和相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了確定，并通過(guò)輸入坐標(biāo)數(shù)據(jù)的形式直接在RAMSIS軟件中建立。SgRP點(diǎn)為中國(guó)95%男性人體H點(diǎn)的位置，不同的人體SgRP點(diǎn)位置不同，本文5%女性人體和50%男性人體H點(diǎn)位置在95%男性人體H點(diǎn)基礎(chǔ)上沿著座椅滑動(dòng)方向分別前移163.1 mm和80.7 mm。

該車為商用微型車，其駕駛員座椅可滑動(dòng)且靠背可調(diào)節(jié)。因座椅可滑動(dòng)，且靠背可調(diào)節(jié)，所以在進(jìn)行安全帶人機(jī)舒適性分析時(shí)，應(yīng)考慮各乘坐狀態(tài)下的安全帶人機(jī)舒適性。本文旨在闡述RAMSIS的分析流程和方法，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，僅選取駕駛員腳踩加速踏板，且座椅靠背角為設(shè)計(jì)靠背角23°時(shí)的乘坐姿勢(shì)進(jìn)行分析。

3.1.2 安全帶信息確定

該車型為M1類車輛，根據(jù)法規(guī)GB 14166的規(guī)定，其安全帶配置為三點(diǎn)式安全帶。并根據(jù)法規(guī)GB 14167—2013的規(guī)定，繪制安全帶固定點(diǎn)法規(guī)區(qū)域。因該車為改型車，故其安全帶固定點(diǎn)在原型車基礎(chǔ)上微調(diào)即可得出安全帶固定點(diǎn)位置。

3.2 安全帶人機(jī)舒適性分析

使用該車型的目標(biāo)人群定位為大眾人群，女性駕駛員員也占相當(dāng)比例，安全帶佩戴的人機(jī)舒適性需要滿足不同人群的需求，因此本文采用Manikin分析方法對(duì)其進(jìn)行人機(jī)舒適性分析。在前期準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立中國(guó)5%女性（身高為1.509 5 m）、中國(guó)50%男性（身高為1.705 7 m）和中國(guó)95%男性（身高為1.803 3 m）人體模型，分析安全帶人機(jī)舒適性。

3.2.1 人體模型建立

通過(guò)Manikin方式定義所需人體模型的性別、年代和所遵循的建立標(biāo)準(zhǔn)（本文采用China標(biāo)準(zhǔn)），并通過(guò)Anthropometry Bodybuilder命令進(jìn)行人體模型的個(gè)性化設(shè)置，調(diào)整人體模型百分位為95%男性、50%男性和5%女性，然后通過(guò)將人體模型上的皮膚特征點(diǎn)與前期準(zhǔn)備中建立的基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)約束，最終得出圖2所示的符合該車型乘員乘坐姿勢(shì)的人體模型。

3.2.2 安全帶參數(shù)設(shè)置

對(duì)安全帶的上固定點(diǎn)、帶扣側(cè)下固定點(diǎn)、非帶扣側(cè)下固定點(diǎn)和卷收器4個(gè)組成部分，RAMSIS軟件提供了20種不同的類型供用戶選擇，通過(guò)選擇與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的類型，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，即可得出符合用戶需求的安全帶定義。

由于該車型的各固定點(diǎn)位置已經(jīng)在前期準(zhǔn)備中確定，因此根據(jù)前期確定的安全帶數(shù)據(jù)，分別選擇各固定點(diǎn)的形式如下：上固定點(diǎn)類型為Class A.1；帶扣側(cè)下固定點(diǎn)類型為Class B.1；非帶扣側(cè)下固定點(diǎn)類型為Class C.2；卷收器為可選定義，此次分析不進(jìn)行設(shè)定。同時(shí)，在CAD軟件中測(cè)量出各固定點(diǎn)的參數(shù)，輸入到如圖3所示界面中，當(dāng)所有安全帶固定點(diǎn)指示由紅色變?yōu)榫G色，即完成了安全帶固定點(diǎn)參數(shù)設(shè)置。

除此之外，還需要在如圖4所示的補(bǔ)充設(shè)置界面中設(shè)置安全帶織帶的寬度為47 mm、安全帶在整車的左側(cè)、非使用狀態(tài)下安全帶鎖舌朝向車內(nèi)側(cè)。

3.2.3 安全帶人機(jī)舒適性計(jì)算及結(jié)果評(píng)價(jià)

通過(guò)建立的人體模型和定義的安全帶，RAMSIS經(jīng)過(guò)自動(dòng)計(jì)算，得出如圖5所示的結(jié)果。

通過(guò)圖5（a）可以看出：身材為中國(guó)95%百分位的男性人群，在處于駕駛姿態(tài)佩戴安全帶時(shí)，其安全帶織帶位于肩部和手臂交接處，存在織帶阻礙手臂運(yùn)動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，但是安全帶不會(huì)滑脫，人機(jī)舒適性并未達(dá)到最優(yōu)化。

通過(guò)圖5（b）可以看出：身材為中國(guó)50%百分位的男性人群，在處于駕駛姿態(tài)佩戴安全帶時(shí)，其安全帶織帶位于肩部邊緣，不會(huì)出現(xiàn)織帶滑脫現(xiàn)象，且不影響手臂運(yùn)動(dòng)，滿足人機(jī)舒適性要求。

通過(guò)圖5（c）可以看出：身材為中國(guó)5%百分位的女性人群，在處于駕駛姿態(tài)佩戴安全帶時(shí)，其安全帶織帶位于肩部中間位置，不會(huì)出現(xiàn)滑脫或累脖子的情況，舒適性滿足人機(jī)舒適性要求。

綜上所述，該車型安全帶設(shè)計(jì)能夠滿足大多數(shù)中國(guó)駕駛員的安全帶人機(jī)舒適性要求，因此該安全帶布置位置可以作為最終設(shè)計(jì)位置進(jìn)行生產(chǎn)制造，亦可再優(yōu)化安全帶固定點(diǎn)位置后重新分析安全帶人機(jī)舒適性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)的安全帶人機(jī)舒適性分析方法存在的問(wèn)題，通過(guò)RAMSIS軟件對(duì)某車型駕駛員佩戴安全帶的人機(jī)舒適性進(jìn)行分析，闡述了基于RAMSIS軟件進(jìn)行汽車安全帶人機(jī)舒適性分析的流程、具體操作過(guò)程和結(jié)果評(píng)價(jià)。通過(guò)RAMSIS軟件的應(yīng)用，可以快速準(zhǔn)確地完成汽車安全帶人機(jī)舒適性分析，為工程師在虛擬設(shè)計(jì)階段明確設(shè)計(jì)改進(jìn)方向提供依據(jù)，節(jié)省大量設(shè)計(jì)成本和時(shí)間。同時(shí)，本文的研究也填補(bǔ)了RAMSIS軟件在汽車安全帶人機(jī)舒適性分析領(lǐng)域中的應(yīng)用空白。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]蔣華偉.中國(guó)汽車安全帶的發(fā)展及現(xiàn)狀研究[J].中國(guó)機(jī)械，2014（16）：213.

[2]柴春雷.基于駕駛姿勢(shì)預(yù)測(cè)模型的人機(jī)工程設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

[3]智睿瑞，劉社明.基于虛擬人的駕駛艙布局分析[J].機(jī)械制造，2014（2）：32-35.

[4]趙巖.虛擬人技術(shù)在環(huán)控生保艙內(nèi)布局中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2007（2）：186-191.

[5]朱煒昱，陳昌明，沈浩.RAMSIS在汽車人機(jī)工程學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)科技信息，2007（8）：59.

[6]趙尚義.RAMSIS軟件在汽車人機(jī)工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2008（7）：64-65.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]