王健男

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司 检修服务事业部,山东 青岛 266000)

0 引 言

在工程设计中，CATIA软件除了2D/3D工程设计、仿真分析、模拟制造之外，人机工程学设计与分析模块也是极具特色的一部分。在工业产品的三维设计中，可以采用人机工程学对其进行简单的人机交互的仿真模拟与产品验证。

随着国家经济迅速发展，城市化进程日益加快，在此大背景下，为加强附近城市间的联络，方便周边地区之间的跨市出行和人文交流，具有快速、便捷、安全、环保节能特点的城际铁路应运而生。作为城际铁路的重要载体之一的城际列车具有载客量大、适应频繁启停等诸多优点，因此不同于高速动车组列车，允许乘客在车厢中站立运营，故而在内装结构设计中，为站立乘客设置合理的扶手是必不可少的。扶手的高度及结构设计关系到乘客的舒适性和安全性。扶手横杆太高部分乘客够不到扶手，或身体处于极度拉伸状态；扶手横杆太低可能导致乘客碰头，给乘客的安全和健康造成隐患。

以城际动车组客室扶手设计为例，借助CATIA人机工程学模块，对理论计算所得的扶手高度进行人机工程学分析，以验证其设计的合理性。

1 人机工程学在扶手设计中的应用

轨道交通车辆用客室扶手主要包括：门立罩扶手、座椅区扶手、中部立柱(包含横杆及吊环)、通过台扶手、多功能区扶手，扶手材质通常选用06Cr19Ni10不锈钢材质，符合GB/T14975-2012《结构用不锈钢管标准》要求，该合金钢抗拉强度≥520MPa，屈服强度≥210MPa，具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械特性。扶手用装饰盖、三通及立柱用管座采用ZG07Cr19Ni9不锈钢材质，材料成分及机械性能应满足GB/T2100-2002《一般用途耐蚀钢附件标准》要求。扶手钢管相关尺寸为：外直径Φ35mm，壁厚2.5mm；扶手表面采用拉丝、电泳、电解钝化等处理。扶手及其附件和相连接的结构应能够承受一定的静态载荷和由车辆加速度引起的疲劳载荷，扶手立柱及其附件和相连接的结构也应能够承受一定的动态载荷，而不产生永久变形或功能丧失等现象。同时应有足够的刚度，以保证在一定的载荷作用下，不会产生断裂而伤及乘客。其中，每个立柱组件与车体进行连接，应能承受车体及乘客施加到立柱上的不小于125kg的静载荷，承受不小于30kg,150万次应力循环次数的疲劳载荷，无紧固件脱落、零部件断裂及永久变形产生；每个横杆与车体进行连接，应能承受车体及乘客施加到扶手上的不小于150kg的静载荷,承受不小于45kg,150万次应力循环次数的疲劳载荷，无紧固件脱落、零部件断裂及永久变形产生。

扶手安装时，常以车内地板布上表面、客室窗口尺寸及车体纵向中心线作为定位尺寸，下部与提前安装在内装地板上的扶手安装座以紧固件连接，上部及侧面借助车体车顶或车体侧墙焊接滑槽以紧固件相连，紧固点内藏于内装顶板及地板布下方，紧固件不易松动且确保了乘客可视界面的美观。安装完成后应保证立柱的垂直度，及立柱间的平面度，安装结构如图1。

1.1 人体百分位数及其选择

城际动车组地板布面距顶板高度尺寸一般为2210mm,在此工况下，参考GB/T10000-1988《中国成年人人体尺寸》标准中的数据用于列车室内扶手的设计。设计中选用的是第5,50,95百分位数，三个百分位数对应的尺寸分别代表有5%,50%,95%的人群人体尺寸小于此值。由GB/T10000-1988《中国成年人人体尺寸》可得到以下表中基本数据：

表1 中国成年人人体基本尺寸(单位：mm)

根据尺寸的性质，在客室扶手设计中，为了尽可能的满足较多人的需要，尺寸数据以第5,95百分位数为主要参考值。

1.2 扶手横杆高度设计尺寸的计算

除了以上数据，在扶手横杆高度设计中还需考虑一定的修正量，即由着装和姿态不同导致的修正值。一般男性鞋跟按15mm计算，女性鞋跟按30mm计算。从抓握舒适度上讲，垂直抓握是舒适度较差的一种抓握方式，手臂应当有一定的角度弯曲，即握高应降低70mm左右(从实际情况来讲，手的高度越低，人体舒适度越高)。因此可得出设计尺寸计算公式：

部件最佳设计尺寸=人体尺寸百分位数+修正量。

扶手横杆高度设计除了考虑抓握高度(G)之外，还需验证头部碰触高度(T)。即扶手横杆设计高度要处于T与G之间，抓握方便的同时也不妨碍乘客的走动。横杆合理高度应不大于第5百分位数抓握高度,且不小于第95百分位数的头部碰触高度，即T95≤H≤G5。

根据以上表格及公式可得到每个百分位数的最佳设计尺寸：

男性：

G5=1869+15-70=1814 T5=1583+15=1598

G50=1993+15-70=1938 T50=1678+15=1693

G95=2101+15-70=2046 T95=1775+15=1790

女性：

G5=1740+30-70=1700 T5=1484+30=1514

G50=1838+30-70=1798 T50=1570+30=1600

G95=1943+30-70=1903 T95=1659+30=1689

男性：T95=1790≤H≤G5=1814

女性：T95=1689≤H≤G5=1700

通过以上数据可见，男性与女性乘客之间不存在交集，扶手设计不存在一个共同值，所以需设置不同的扶手机构设计解决通用性问题。借鉴公交车或地铁车内扶手形式，可采用立柱、横杆、吊环相结合的结构方式。横杆高度设计为1790mm～1810mm之间，可满足95%男性乘客抓握，同时保证95%的男性和近100%的女性乘客不碰头；吊环高度设计为1690mm～1700mm之间，可满足95%的女性乘客抓握(若设计为1665mm，几乎可满足100%成年人抓握，推理同上)；另外，在客室内设计一定量的立柱等扶手，可为身材矮小的乘客抓握，从而保证站立乘客均有可抓扶的扶手。

图2 站立乘客人机分析

2 CATIA人机工程学分析

2.1 CATIA扶手与人体模型建模

本文中扶手设计高度分别采用1800mm(横杆)和1665mm(吊环)，三维建模效果如图3：

(a)

CATIA人体工程学设计与分析模块中，可通过设置人体性别、身高或百分位数，生成人体模型。

(a)

(a)

如图4，在“Manikin”选项中，选择父产品(即要插入的位置)，输入模型名称，选择性别，选择百分位数；在“Optional”选项中选择国度，模型部位，参考位置；点击确定即可生成人体模型

按照前文中分析加载出三个人体模型：一号模型，男性，身高1775mm；二号，男性，身高1583mm；三号：女性，身高1484mm。

2.2 CATIA模拟验证

将以上三个模型加载到组件模型中，对人体模型进行脚跟以及手臂的调整，通过设置脚踝的角度，调整男/女模型足跟距地板面直径距离分别为15mm/30mm，调整手臂关节的角度可直观显示人体抓握扶手的实际情况。

由CATIA人机工程学模块中可以观察并测量出，一号人体模型头部与扶手横杆间仍存有一定的空间，这样可以确保绝大部分人站立乘车时，头部与扶手横杆无磕碰风险，二号与三号人体模型也可在扶手横杆与吊环之间选择合适的抓握方式，并且手臂形成一定的角度，具有较好的舒适性。若有孩童或身高较矮的站立乘客可以抓握立杆，由此可知，通过理论计算并借助CATIA人机工程学模块而设计的扶手高度是合理并满足大部分人需求的。

3 结 论

通过以上分析可以看出，借助CATIA的人机工程模块可以较为直观的观察或测量人与产品之间的关系，从而反映出产品设计的合理性，并帮助设计师进行设计修改，并最终实现设计目的，便于大部分站立乘客抓握扶手。CATIA的人机工程模块可广泛应用于动车组、地铁等乘客界面产品设计中，以提高产品设计效率和提升产品设计效果。