2DOF雙足模型參數分析及其在人與結構相互作用中應用研究.pdf

1、隨著現代結構形式不斷向大跨、輕柔和低頻方向發(fā)展，由人群活動引起的結構振動越來越受到人們的關注。人與結構相互作用作為新的重要問題，已經成為研究的熱點。結構上的人群作為獨立的動力體系，會在結構中產生振動并改變結構動力特性;反過來過量的結構振動又會促使人調整運動狀態(tài)、幅度和節(jié)奏等，影響人群荷載的大小。雙足模型可較好地模擬人與結構相互作用，但仍需進一步完善。已有的雙足模型忽略了人體全身振動特性對人與結構相互作用的影響，模型自身的穩(wěn)定性及正確的參

2、數域范圍尚不明確，用于模擬跑步狀態(tài)下的控制機制仍需研究，且進一步對隨機人群與結構的相互作用的分析也無法很好地闡述。
　　針對上述問題，本文基于ISO5982模型與雙足模型，建立了2DOF雙足模型，重點對2DOF雙足模型的步行穩(wěn)定性、人與結構相互作用過程的模擬、2DOF雙足模型的跑步運動及人群作用下的結構振動等問題進行研究。論文的具體工作和取得的創(chuàng)新性成果如下:
　　(1)綜合考慮ISO5982模型所表示的人體全身振動特性及雙

3、足模型的雙足步行特性，建立了2DOF雙足模型，提出了2DOF雙足模型的參數域范圍。運用Lagrange方程描述步行過程中的運動方程，研究了人體運動的動力特性及能量變化過程。分析了腿剛度、沖擊角和步行速度等重要參數對步行特性的影響。針對2DOF雙足模型的穩(wěn)定性，分析了符合人體步行特性的2DOF雙足模型參數域范圍。研究結果表明，2DOF雙足模型可用于模擬包括雙足和單足支撐階段的完整連續(xù)的步行過程。連續(xù)平穩(wěn)步行的2DOF雙足模型總能量恒定，其

4、能量隨著步行過程在重力勢能、彈性勢能和動能之間進行轉化。腿剛度、沖擊角和步行速度等重要參數影響著人體的連續(xù)穩(wěn)定步行，各參數之間相互聯系并構成參數域，雙足模型在本文給定的參數域下才能夠穩(wěn)定運行。穩(wěn)定運行的參數域分為人體步行特性參數域及非人體步行特性參數域;人體步行特性參數域僅是雙足模型眾多穩(wěn)定解的一種形式。
　　(2)研究人與結構相互作用過程的模擬。采用2DOF雙足步行模型模擬行人，建立了步行過程的人與結構系統(tǒng)運動方程，確定基本理論

5、和算法。分析了人與結構相互作用過程中人和結構各自的動力響應變化，研究了人體運動狀態(tài)的改變過程，描述了結構動力特性的變化規(guī)律，并通過對比雙足模型和2DOF雙足模型，說明了2DOF雙足模型反映的人體動力特性對結構振動的影響。結果表明，人與結構相互作用使結構動力響應增大。人體運動影響結構動力響應及動力特性，結構振動又影響人體自身的振動特性及運動狀態(tài)。行人經過結構各階模態(tài)振型波峰時，結構各階模態(tài)頻率和阻尼比分別達到最小值和最大值。人體全身振動特

6、性減弱了人與結構相互作用，考慮了人體全身振動特性的2DOF雙足模型較為全面地反映了人與結構相互作用。
　　(3)研究跑步作用下人與結構系統(tǒng)的動力模擬，提出了同時考慮腿部回擺和外力做功的綜合控制機制以保持步態(tài)穩(wěn)定。分析了2DOF雙足模型跑步作用下的動力特性、控制過程及能量變化過程，討論了跑步運動的穩(wěn)定性，闡述了跑步作用下的結構動力響應及步態(tài)變化。研究結果表明，2DOF雙足模型能夠模擬包括支撐和飛行階段在內的完整跑步過程。提出的綜合控

7、制機制，能夠自動調整運動狀態(tài)并維持能量平衡。其不僅能保持模型穩(wěn)定運行，還提高了穩(wěn)定性能。對跑步狀態(tài)下的人與結構系統(tǒng)進行動力分析顯示，隨著行人向結構跨中移動，跑步過程中產生的地面反力增大的最大幅度為1.48％，跑步狀態(tài)下的人與結構相互作用較弱。
　　(4)采用2DOF雙足模型模擬人群中的單個行人，基于2DOF雙足模型參數域分析，研究了人群激勵下結構的隨機振動問題。建立人群與結構相互作用運動方程，確定了人群激勵下結構隨機振動的基本理論