【机情无限 精彩毕设】机械2023届毕业设计（论文）中期检查优秀案例分享第三十期——车辆座椅设计方案与人体下肢骨肌生物力学分析
学生姓名：唐志豪
班班级级：车辆2019级-03班
指导教师：丁昊昊
毕设题目：车辆座椅设计方案与人体下肢骨肌生物力学分析
一、概况
1.选题意义
我国高速列车产业正向高效化、智能化、人性化的趋势发展，乘客对舒适性和人性化的需求也更加显著。因此，在车辆的设计以及制造过程中，乘客的舒适度成为了评价标准中的一项重要内容。随着国内铁路的快速发展, 人们对于乘坐舒适性方面的要求日益提高。其中车辆座椅作为与人体直接接触的部位，其设计与制造水平很大程度上影响了乘客对车辆舒适性的感知。
目前，大多数的车辆座椅设计都是依据经验，在可行设计区间内进行选择,主要考虑结构上的舒适与美观。现如今，凭借强大的计算机软件，可以通过CAE技术研究人体与车辆座椅之间相互作用关系，从而优化车辆座椅的设计法案。因此本选题决定以高速动车为例，采用车辆动力学以及生物力学结合有限元分析的方法研究高铁座椅设计方案对人体下肢骨肌生物力学的影响规律，从而实现对车辆座椅的优化设计。
通过本次毕业论文可以熟悉车辆在不同工况运行时振动的传播路径以及探究对人体所产生的激励，同时能够掌握车辆动力学分析方法，并且学习基于FEBio软件的生物力学有限元分析方法。通过对人体下肢骨肌生物力学有限元分析，反过来优化车辆座椅设计，使其更符合人体工学，提高乘客在乘坐车辆时的舒适度。
2.任务分解
通过本次毕业设计可以熟悉车辆在不同工况运行时振动的传播路径以及探究对人体所产生的激励，同时能够掌握车辆-座椅-人体系统的动力学分析方法，并且学习基于FEBio软件的生物力学有限元分析方法。通过对人体下肢骨肌生物力学有限元分析，反过来优化车辆座椅设计，使其更符合人体工学，提高乘客在乘坐车辆时的舒适度。
基于本课题的总体目标，可以将总任务分解为以下几个子任务：
（1）车辆动力学、舒适性、安全性、座椅人体工程学设计与人体生物力学文献调查与分析；
（2）建立车辆动力学模型并进行仿真，获取车辆的动力学响应；
（3）人体下肢骨肌系统生物力学有限元模型建立；
（4）完成对人体-座椅系统的有限元分析；
（5）探究车辆座椅设计方案对人体软硬组织生物力学的影响规律；
（6）优化车辆座椅结构，进行三维建模，绘制装配图与零件图总计A0图1张；
（7）撰写毕业论文并参与答辩。
二、已完成工作
（1）在从指导教师处获得毕业论文选题时，本人仔细阅读论文的目的以及任务安排，在此基础上前往知乎、万方、维普以及Web of Science等数据库收集相关资料文献，包括期刊论文、学位论文、发明专利以及相关图书，内容主要包括车辆动力学、人体组织、生物有限元分析以及座椅设计与制造等。
（2）完成了对外文文献的翻译。文献标题为：FEBio: Finite Elements for Biomechanics，是由美国犹他大学生物工程系Steve A. Maas、Benjamin J. Ellis等人编写并发表在 上的一篇期刊论文。该论文主要介绍了一款由美国犹他大学研发的专注于生物力学的开源有限元分析软件FEBio的理论知识、具体功能以及实际应用，包括其与NIKE3D、ABAQUS分析结果的对比。其中FEBio软件为本论文进行生物有限元分析的主要软件。
图1 外文文献翻译
（3）完成了对论文绪论部分的初稿编写。绪论部分主要包括课题研究的背景、国内外研究现状、研究车辆类型及工况的选择以及本研究的主要内容四大部分。其中国内外研究现状包括车辆动力学研究现状、生物力学研究现状以及高铁车辆座椅研究现状三大主要内容。在本研究的主要内容中阐述了仿真的具体技术路线以及任务目标。
图2 绪论部分编写
（4）获取人体下肢模型。本论文主要研究车辆运行时对人体下肢造成的影响进而优化车辆座椅，其中人体下肢骨肌模型通过美国University of Denver官方网站提供的男性下肢骨肌模型（39M, 71in., 90kg, 27.8BMI）CT扫描模型获取STL格式模型。
图3 人体下肢骨肌STL模型
（5）建立高铁车辆动力学模型。本论文选用CRH2A拖车模型进行动力学分析，通过网络查找获取CRH2A拖车的车体和转向架的结构以及悬挂参数。在此基础上通过SIMPACK软件建立车辆动力学模型。在验证动力学模型正确性后，获取其在直线以及曲线工况上的动力学响应，并对其进行数据处理，为后续导入FEBio软件作为输入载荷做准备。
图4 CRH2A拖车整车模型
（6）对获取的人体下肢模型进行数据处理与转换。首先通过Geomagic软件是对从网站获取的130多个骨骼、软骨、韧带以及肌肉STL模型进行去噪点、网格修复、实体编辑等处理获取IGS格式的实体模型。之后将处理好的IGS实体模型导入Hypermesh软件进行有限元网格划分以及优化，并在检查网格质量后导出.inp文件，为后续导入FEBio软件进行有限元分析做准备。
图5 人体下肢骨肌有限元模型
（7）建立高铁座椅模型及其有限元分析简化模型。通过在网上收集高铁座椅相关资料以及实物查证，通过SolidWorks软件建立高铁座椅实物装配模型。在实物模型的基础上进行简化，导入Hypermesh软件进行有限元网格划分并输出.inp文件，为后续进行有限元分析做准备。
图6 高铁座椅三维模型
三、下一步工作计划
（1）进一步完善有限元模型网格划分，通过人为优化使其达到在降低计算量的同时有足够的精度，确保有限元分析的正确性；
（2）完成对有限元模型的生物材料赋予；
（3）对生物有限元模型中的部件进行连接与接触设置；
（4）将人体下肢骨肌模型由站立姿态，通过FEBio软件设置为坐下的姿态，主要设置髋关节、膝关节以及对应的肌肉和韧带；
（5）将获取的车辆动力学响应作为载荷输入，同时设置边界条件，再设置求解器完成人体下肢骨肌与座椅的有限元分析；
（6）通过有限元分析结果对车辆座椅进行设计优化；
（7）完成车辆座椅优化模型的三维模型建立并绘制A0工程图一张；
（8）编写毕业论文，为毕业答辩做准备。
问题一：后续有限元分析如何进行载荷的添加？
回答：通过将车辆动力学分析所获得的数据处理成为振动加速度谱进行载荷的添加。
问题二：有考虑过对不同车速下的动力学响应吗？
回答：本论文主要研究CRH2A拖车在200km/h行驶时的动力学响应，如果以不同车速作为变量，研究不同车速下的人体动力学响应可以更全面地完成对座椅的优化设置，这个可以作为后续的研究展望。
问题三：对动力学仿真获取的数据比真实的数据是偏向保守的，你有考虑这个问题吗？
回答：这个确实受限于仿真本身具有的局限性，导致有限元分析的激励偏向于保守。实际上最好使用现实中实测的车辆激励来进行有限元仿真，但首先的问题是该部分数据获取难度较大，其次是如何确定该数据具有代表性也是一个问题。
在本次的毕业论文中期答辩的过程中，包括答辩前的准备工作都令我对本次毕业论文的研究内容有了更深刻的理解。中期答辩不仅是为了展示我们已经完成的内容，更是让我们审视了自开题答辩以来的一切工作，包括计划的制订、技术流程的思考、相关理论知识的学习以及所做内容的意义。当我们审视完后，我们会对自己的目标有了更进一步的理解，头脑中对研究内容有了更清晰的认识，对后续内容的完成有着深刻的意义。中期答辩对我而言，是一次在检查站上的一次停靠，检查自己一路上的过往，在各位评委老师的指点下加加“油”。但这并非终点，任务仍然艰巨，直到完成任务前，不可松懈！