1 引言

近年来，我国铁路交通高速发展，基本实现交通运输现代化，大大缩短了百姓出行时间。列车座椅的结构形式、几何参数和物理参数等，与乘坐舒适度密切相关[1]，从而影响乘客的心情和状态。常见的列车座椅有硬座和软座。不同的座椅对乘客的影响不同，其中包括对躯干、骨骼以及肌肉等各方面的影响[2-4]。短途影响不太明显，对于长途而言，不合理的座椅设计会产生明显的不舒适感，可能造成人体的损伤和疲劳。

Jack软件是一款高效的人因工效评估软件，它包含了基础人体26项测量数据、关节的柔韧性、人的健康状况、劳累程度和视力限制等医学及生理学参数[2]。本文通过建立数字人模型和座椅模型，利用Jack软件进行人机系统仿真，分析乘座舒适性。

2 列车座椅的人机工程学分析

2.1 列车座椅常见形式

常见列车座椅分为硬座和软座两种。硬座以每排形式3+2分布，中间是过道，硬座每排5个座位，座位为硬板设计，由于其价格低廉，广受百姓喜爱；火车软座是一种座位中有扶手且靠背可自由调节的列车席位，填充物多而厚，有些软座甚至配备有小靠枕、腿靠以及脚踏板，因此软座的舒适度远大于硬座。列车座椅使用人员多，公共性高，考虑到这些特性，座椅尺寸应具有最大的通用性。图1为某列车的两种座椅，其中，(a)为硬座，(b)为软座。

2.2 座椅建模

参照常见座椅设计参数(表1)[5]，利用Catia软件对列车座椅进行三维建模，如图2。其中，(a)为硬座，(b)为软座。

图2 某列车座椅实体模型表1 列车座椅设计参数类型座面宽度座面高度座面深度座面倾角靠背高度硬座(mm)40软座(mm)433

2.3 列车座椅人因工效分析

对列车座椅进行人因工效分析，首先需构建基础模型，即乘客和座椅虚拟模型。搭建出仿真环境后，对人-座椅系统进行静态仿真。通过静态仿真，可以对乘客坐姿进行舒适性分析、脊椎受力分析及乘车能量消耗等人因功效分析。分析流程如图3所示[6]。

图3 人—座椅工效分析流程图

3 仿真环境搭建

JACK 软件人机仿真环境的两个重要组成因素是数字人模型和设计模型，本文中即列车座椅。需要注意的是，使用其他建模软件创建的模型在导入JACK 时，应以通用格式输出，并且由于JACK 软件与其他软件的默认坐标系不同，导入的CAD 模型需要经过坐标转换后方可使用[7]。具备以上两个基本要素之后，产品模型与数字人模型将共同构建起仿真环境。仿真环境构建完毕后，使用JACK 软件内的人因分析工具对产品设计方案的各项人机性能进行分析。

3.1 人体模型

Jack中的数字人模型是由69个Segment(部分)和68个Joint(关节)构成，并且在导入数字人的过程中还可自定义人体各个尺寸。Jack的主要优势在于其逼真的三维人体仿真行为，运用前向和反向运动学公式使得人体姿势的定位更加精准和智能，只需控制部分关节即可调整姿势，仿真程度极高[9-10]。同时Jack软件可实现对数字人模型的可视域分析、下背部分析、疲劳恢复分析等，在各个领域的人因工效分析中得到广泛运用。数字人数据来源于1989年中国18～60岁男性和18～55岁女性成年人尺寸数(GB-88)。此方法易得到较广的人体数据模型，扩展了座椅工效分析的研究对象范围 。本文创建 I5、I50、I95这三种百分位的人，身高如表2。

表2 不同百分位成年人尺寸百分位 I5I50I95男性身高(cm)女性身高(cm)

3.2 座椅模型的导入

Jack软件的一大优势在于可以导入外部三维模型创建丰富的虚拟环境。因此我们可以在Catia、Solidworks、3Dmaxs等三维建模软件中建立所需模型，保存成Jack支持的格式.wrl/.igs，通过import命令导入到Jack中便可使用。若工程模型文件过大，则必须对模型进行优化处理[6-8]。在Jack中导入座椅模型和数字人模型，根据座椅调整数字人坐姿，通过基点坐标定位数字人到座椅上，如图4。其中，(a)为硬座，(b)为软座。

4 结果

分别以 I5、I50、I95三种百分位的数字人模型进行静态仿真，分析数字人乘坐列车不同座椅时坐姿舒适性、脊椎受力、以及长时间乘车的能量消耗。

4.1 舒适度分析

【Comfort Assessment】(舒适度分析)通过参考舒适度数据对数字人特定姿势下某些关节的弯曲范围进行分析[10]。本工具提供6个舒适度参考数据，分别是Porter、Krist、Grandjean、Rebiffe、Dreyfuss 2D/3D。仿真实验中选择Krist数据。Krist数据不同于其他只研究单关节的数据，该数据研究多关节舒适度，即整体姿势。数据中涉及的身体部位包括颈部、肩膀、背部、臀部、左右手臂、左右腿部。它给出从0～80的一个数字评分，分数越低表示舒适度越大。

文章来源：《化学与生物工程》 网址: http://www.hxyswgc.cn/qikandaodu/2021/0508/996.html