Анализ взаимодействия водителя с элементами его рабочей зоны в настоящее время основан на натурных испытаниях, так называемых краш-тестах. Эксперимент состоит в соударении транспортного средства и находящегося в нем манекена оператора с внешней абсолютно жесткой средой. В мире существует несколько методик проведения краш-тестов. Существуют старая методика, по которой проводились тесты по 1999 г. включительно, и новая методика (с 2000 г.) Обе они включают испытания на лобовое столкновение с жестким барьером. В данном случае манекены располагаются на обоих передних сиденьях (водитель и пассажир). Оба манекена пристёгиваются ремнями безопасности. Столкновение с бетонным препятствием происходит на скорости 55 км/ч (допустимое отклонение скорости ±1 км/ч). На манекенах проверяется вероятность травмирования головы, шеи, грудной клетки и ног. Оцениваются повреждения и деформации автомобиля. По этим результатам дают оценку степени защиты пассажиров по 5-балльной шкале.
Эти испытания дорогостоящие и, кроме того, продолжительны во времени, так как разбиваются автомобили и деформируются манекены с системой датчиков, велики затраты по времени на подготовку материальной части испытаний. В настоящей работе рассматриваются компьютерные взаимодействия водителя транспортного средства с его рабочей зоной при соударении автомобиля с внешней средой.
Работа, рассмотренная в данной статье, направлена на создание математической модели и анализ динамической системы: оператор (механик-водитель) - рабочая зона оператора в транспортном средстве в экстремальных ситуациях с целью моделирования процесса и определения динамических воздействий на оператора. Цель работы состоит в замещении натурных испытаний соударения подвижного объекта с оператором (механиком-водителем) с жесткой средой (удар) моделированием этой системы.
После получения математической модели водителя встал вопрос о выборе программы для моделирования системы. Современные программные продукты позволяют значительно упростить математическое моделирование механических частей проектируемых машин. Это позволяет прогнозировать уровень вибрации на ранних стадиях проектирования.
Для этой цели можно использовать пакет SimMechanics. SimMechanics - это отдельная библиотека пакета Simulink среды MATLAB, предназначенная для моделирования механического движения твердых тел. Основное ее назначение - это моделирование пространственных движений твердотельных машин и механизмов на стадии инженерного проектирования с использованием законов теоретической механики.
В результате компьютерного моделирования полученные параметры водителя были сведены в таблицу 1. За исходные данные при расчетах и макетировании посадочных мест были взяты антропометрические признаки трех групп репрезентативности (представительности), так называемых перцентилей: 5-й или 10-й (маленький рост), 50-й (средний) и 90-й или 95-й (большой рост).
Таблица 1 - Координаты характерных точек для различных групп лиц
|
Точки |
Лицо 1 |
Лицо 2 |
Лицо 3 |
|||
|
x |
y |
x |
y |
x |
y |
|
|
А |
0,296 |
0,352 |
0,228 |
0,489 |
0,290 |
0,261 |
|
В |
0,643 |
0,3 |
0,702 |
0,3 |
0,667 |
0,3 |
|
С |
0,873 |
0,930 |
0,955 |
0,995 |
0,866 |
0,845 |
|
D |
0,729 |
0,701 |
0,774 |
0,707 |
0,728 |
0,625 |
|
Е |
0,3 |
0,7 |
0,3 |
0,7 |
0,3 |
0,7 |
|
F |
0,296 |
0,352 |
0,228 |
0,489 |
0,290 |
0,261 |
Используя данные результаты моделирования, можно получить несколько вариантов регулировки геометрических параметров водителя:
- регулировка положения спины водителя;
- регулировка органов рулевого управления;
- комбинированная регулировка всего рабочего места водителя.
Рассмотрим Simulink-модель системы АТС-механик-водитель (рис. 1-4).
Рис. 1. Фрагмент компьютерной модели ТС, ног, рук и поясничного отдела водителя
Рис. 2. Фрагмент компьютерной модели позвоночника водителя
Рис. 3. Фрагмент компьютерной модели шеи и головы водителя ТС
Рис. 4. Визуализация математической модели в состоянии покоя и в момент лобового столкновения ТС с препятствием соответственно
В модели (рис. 1.) блок Machine Environment задает внешние условия, действующие на механизм. С помощью этого блока задается сила тяжести, действующая на объект.
Блок Ground представляет собой неподвижное основание, жестко связанное с абсолютной инерциальной системой координат Земли. Этот блок необходим для задания неподвижных точек механизма относительно глобальной системы координат. Координаты этих точек задаются в окне настройки блока Ground.
Блок Custom Joint задает степень свободы тел относительно друг друга. Степени свободы задаются в окне настройки блока. Блоки arms, lower arms, upper legs, lower legs представляют собой набор жестких звеньев, соединенных между собой блоками Custom Joint. Кроме того, в них добавлены блоки реакции мышц на внешнее возмущение и блоки воздействия со стороны ТС.
Блоки Body (в модели: Torso1, Torso2, Torso3, Head, ATS, upper arms, lower arms, upper legs, lower legs, Kreslo, Kreslo2) представляют собой твердые жесткие тела. Для этих блоков есть возможность задавать следующие параметры: массу тела; тензор инерции тела относительно его центра масс, представляющий собой матрицу размером 3´3; координаты центра масс и произвольного числа характерных точек тела.
Блоки BodyActuator и JointActuator служат для передачи воздействий на тело и шарнир соответственно. Воздействие задается при помощи блоков библиотеки Simulink.
Блоки BodySensor и JointSensor служат для получения различных параметров характерных точек тела и положения шарнира соответственно.
Использование стандартных блоков, моделирующих упруговязкие элементы Body Spring & Damper и Joint Spring & Damper, не удобно, т.к. не позволяет регулировать коэффициент жесткости и коэффициент вязкого трения. Поэтому в модели для моделирования упруговязких элементов создана подсистема, структура которой представлена на рисунке 4.
Ниже представлены характеристики воздействия автомобиля на водителя в процессе столкновения (рис. 5, 6).
Рис. 5. Ускорение головы механика-водителя при столкновении АТС с препятствием
Рис. 6. Воздействие на голову МВ в момент столкновения
Как видно из графиков, даже при относительно небольших скоростях движения при лобовом столкновении транспортного средства с абсолютно жестким препятствием воздействие на механика-водителя со стороны транспортного средства, без устройств пассивной безопасности (ремень безопасности, подушки безопасности), превышает допустимые величины, и является весьма травмоопасным, может привести к переломам костей и даже к летальному исходу. При отсутствии устройств пассивной безопасности максимально безопасные нагрузки на МВ превышены в 5-7 раз.
В настоящее время проводится исследование на соответствие полученных характеристик с характеристиками натурных испытаний.
Рецензенты:
- Гоц А.Н., д.т.н., профессор кафедры тепловых двигателей и энергетических установок Владимирского государственного университета Министерства образования и науки, г. Владимир.
- Кульчицкий А.Р., д.т.н., профессор, заместитель главного конструктора ООО «ВМТЗ», г. Владимир.
Работа получена 05.09.2011