基于Jack虚拟仿真技术的校园床位设施优化设计.docx

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基于Jack虚拟仿真技术的校园床位设施优化设计

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王平凯钟岭

中图分类号:TS664文献标识码:A

文章编码:1672-7053(2021)09-0157-02

1Jack虚拟仿真技术概述

SimensJack是西门子工业软件有限公司旗下的一款人因工程分析软件。目前该软件已成为集三维仿真、数字人体建模、人因功效分析等主要功能于一体的高端仿真软件。Jack虚拟仿真软件能够对人机交互行为进行动态可视化,通过导入用户创建的三维模型,构建仿真环境。其还能引入具有生物力学特性的三维人体模型,给数字人指派动作任务,通过数字人行为仿真分析以获取所需的研究信息。数字人建模技术是Jack虚拟仿真软件中的关键技术,主要优势在于其十分灵活、逼真的三维人体仿真行为,包含详细的三维人体模型,特别是手、脊柱、肩等部位的模型。同时,Jack虚拟仿真软件的人机分析工具和评价方法全面且适用范围广泛,包括下背部受力分析、静态强度分析、工作姿势分析等工具。

2校园床位设施设计现状

床位设施作为校园设施中重要的一部分,是学生日常生活的主要场所。随着我国的教育事业蓬勃发展,高校在校学生人数由1978年的86万发展到如今的3833多万。然而与大幅度增长的在校生人数以及寝室数量相比,学生寝室在居住环境方面的改善却相当有限,虽然寝室宿舍在居住面积以及居住人数上已经有了相应的改善,但是对于寝室设施建设的布局、床位设施的设计等方面还存在很多问题。

国外对学生宿舍的相关研究较早,美国著名的校园规划专家、大学规划学会创始人理查德·道贝尔在二十世纪先后著述了多部关于校园规划与设计的著作。总结了世界各国大学校园的建设经验,提出了对这些设施的设计准则,详细闡述了这些建筑的类型,尤其是和大学生居住生活相关的设施。我国国内学者对学生公寓的研究也取得一定成果,黄艳芳对大学生宿舍居室合理的设计模式进行探讨,提出大学生宿舍的建设标准,张玉洁提出了学生公寓设计要以人为本,以学生的生活需求为设计原则,合理配置公寓的功能结构等。

3基于Jack虚拟仿真技术的校园床位设施优化设计流程

3.1建立虚拟仿真分析环境

虚拟仿真环境的构建是校园床位设施人机舒适性分析的基础,其中数字人模型与床位设施模型是仿真环境的组成要素。为了使研究能够更加具备普适性,虚拟环境中的动作主体确定为CHINESE数据库中第50百分位的人体尺寸的数字人模型,建立后检查其形态是否存在比例异常等现象,并进行适当调整。校园床位设施的三维模型使用Catia软件进行建立,其参数设置均为实际测量所得。模型建立完成之后,保存为通用格式“igs.”文件,用“Import”命令将外部的“igs.”格式的模型导入到Jack软件中,导入时要注意比例大小和坐标系的转换,建立虚拟仿真分析环境。

3.2分析校园床位设施的舒适性

首先在初步建立的仿真环境中进行人机舒适性分析。根据学生对于床位设施的实际使用情况,确定爬梯动作为主要姿态,文章以第50百分位数字人为例,选择静态强度分析和工作姿势分析对学生爬梯姿态进行研究。

3.2.1静态强度分析

[StaticStrengthPrediction](静态强度分析)工具可以从动力学的角度评估有多少百分比的人能够保持任务中的某一姿势进行工作。通过对爬梯姿态进行细致观察和详细记录后,确定完成爬梯动作共需要六个步骤,在仿真环境中调整数字人的关节姿势,逐一还原爬梯动作,并对每一步动作依次进行静态强度分析。

第一步动作分析:数字人高举双臂抓握上部栏杆。如图1为

静态强度分析直方图和静态强度评估图表。静态强度分析直方图表示在完成该任务的情况下,能够承受每个关节上肌肉受力的男性(或者女性)百分比,从图中可知各关节完成百分数为100%,在此动作下各个指标都接近100%,说明该动作舒适度良好。

第二步动作分析:抬起左脚踩踏在第一阶梯上。此时静态强度分析直方图中手腕、肘、肩膀、躯干、臀部、膝盖、脚踝动作完成百分数为100%,静态强度评估图表中各参数均在正常范围内,说明该动作舒适度良好。

第三步动作分析:抬起右脚踩踏在第二阶梯上,身体发生一定程度的弯曲。此时静态强度分析直方图中手腕、肘、肩膀、躯干、脚踝动作完成百分数为100%,臀部、膝盖的动作完成过程中出现了轻微的不适,静态强度评估图表中TorqueValue和MeanStrengths参数开始发生变化,说明该动作完成过程中有少数人感觉吃力。

第四步动作分析:高抬左脚,左小腿与膝盖到达床铺位置。此时静态强度分析直方图中,手腕、肘、肩膀、躯干、动作完成百分数为100%,臀部、脚踝动作在完成时会有少数人产生不适,但在完成膝盖的动作时,百分数不足50%,会有大部分人感到疲劳。同时,静态强度评估图表中左膝盖的力矩已经超过100Nm。说明在完

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