竖直坐姿人体头部振动响应的有限元法研究

卢壮旗; 姜辉; 董瑞春; 朱帅; 张开峰; 高翔

应用力学学报 ›› 2025, Vol. 42 ›› Issue (5) : 1191 -1198.

竖直坐姿人体头部振动响应的有限元法研究

卢壮旗, 姜辉, 董瑞春, 朱帅, 张开峰, 高翔

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摘要

为探究全身振动环境下头部不同部位的响应特点，创建了具有详细骨骼和肌肉软组织的全人体有限元模型，采用模态法与随机响应法计算了各节段模型和坐姿乘员模型的垂向第一阶共振频率与头椅振动传递率，并对比实验和模拟研究，对模型进行了调校与验证。研究发现:在垂向振动激励下竖直坐姿人体在5.7 Hz附近出现明显的共振现象，头部垂向(Z向)响应在矢状面内的最值位于后枕部，后枕部的头椅传递率较头顶处大10%，比额头处大23%，而在冠状面内头部不同位置Z向响应几乎相同;前后向(X向)响应的最值位于头顶处，且矢状面和冠状面内的响应峰值关于此点对称，不同位置X向响应差异达到119%。通过垂向的模态振型分析发现坐姿人体不仅有垂向和前后位移，头部还有转动，导致头部在矢状面内存在复杂的耦合振动，从而出现上述的振动分布规律。