本发明涉及人体生物力学和振动冲击响应，尤其是涉及一种振动冲击下坐姿人体典型器官响应模型的构建方法。
背景技术：
1、振动冲击对人体的影响是一个重要的研究领域，不仅源自于交通运输、机械设备和自然灾害等因素，还包括舰船水下爆炸、坦克底部爆炸和载人飞行器高速迫降等军事场景。这些冲击通常以高频率产生，对人体造成严重不适、疲劳和损伤。因此研究人体的动态响应对于人体损伤评估至关重要。目前，研究人体动态响应主要采用实验和数值模拟方法。然而，实验研究受限于尸源获取和伦理道德限制，因此建立数字相关的人体等效模型对于人体损伤评估尤为重要。
2、为了预测人体的动态响应，研究人员已经开发了几种代表人类受试者的生物动力学模型，其中包括有限元模型、多体动力学模型和集总参数模型。有限元模型通过减小离散单元的尺寸来提高精度，但计算成本较高。多体动力学模型在对复杂生物力学特征建模和参数化方面较为复杂。相比之下，集中参数模型具有简单的参数建模过程、快速求解和较高的准确性等特点。
3、集中参数模型主要用于汽车行业中的坐姿人员低频振动响应分析，但在较高频率响应下缺乏有效的模型构建方法。当前的研究主要集中在特定部位或局部器官的建模，缺乏对坐姿人体全器官的综合模型研究。以往的研究在振动冲击作用中主要关注固定频率和幅值，而实际生活和工作中的高频振动的多样性和不确定性却未得到充分考虑。构建坐姿人体全器官模型时，准确考虑各器官的弹簧刚度和阻尼参数至关重要，因为这些参数直接影响人体的动态响应，对其准确性有着极高的要求。
4、由于人体的复杂性和个体差异性，获取大量的器官动力学参数数据是一项具有挑战性的任务。现有的坐姿人体全器官弹簧-集中质量响应模型构建基于特定条件下的振动冲击数据，缺乏统一的标准和实验条件。这导致不同研究结果之间纯在差异，并且降低了模型在不同振动冲击环境下的适用性和可靠性。在真实的振动冲击环境下进行大规模的试验显然是不经济的。因此，开发一种能够在高频振动冲击作用下准确评估坐姿人体全器官响应的经济型构建方法迫在眉睫。这种方法需要充分考虑振动冲击的多样性和不确定性，并通过合理的参数选择和模型验证来提高模型的适用性和可靠性。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种振动冲击下坐姿人体典型器官响应模型的构建方法，通过对于坐姿人体冲击试验并搭建测试系统，建立坐姿人体弹簧-集中质量参数动力学模型，通过实测人体各部位加速度响应数据，利用遗传算法和加速算法对坐姿人体弹簧-集中质量参数动力学模型进行参数识别，使用拟合优度量化标准对参数辨识效果进行评估，从而提高坐姿人体全器官弹簧-集中质量动力学模型适用性和可靠性。
2、为实现上述目的，本发明提供了一种振动冲击下坐姿人体典型器官响应模型的构建方法，包括以下步骤：
3、s1、坐姿人体振动冲击实验设置，收集坐姿人体各部位的振动加速度信号；
4、s2、坐姿人体振动冲击实验包括参数辨识实验和模型验证实验；
5、s3、构建人体-座椅系统的七自由度质量-弹簧-阻尼器耦合参数动力学模型；
6、s4、利用遗传算法和快速算法进行模型参数辨识；
7、s5、动力学模型准确性验证；
8、s6、若满足准确性验证，得到较为准确的坐姿人体全器官弹簧-集中质量响应模型。
9、优选的，步骤s1中，坐姿人体振动冲击实验所需实验设备为中型垂向实验冲击机、单轴加速度传感器、数据采集仪和实验用座椅；
10、所述中型垂向实验冲击机作为实验的激励来源，所述单轴加速度传感器用于拾取加速度响应数据，所述数据采集仪用于采集人体各部位加速度数据，所述实验座椅参考国家标准自制试验用座椅。
11、优选的，步骤s2中，所述参数辨识实验是通过实验所得数据用于动力学模型参数辨识；
12、所述模型验证实验是在中型冲击机激励下对加速度数据平均化处理，用于模型的准确性验证。
13、优选的，步骤s3中，将人体各部分简化成质量块，以弹簧和阻尼连接来表示人体各部分的结构关系，用刚度和阻尼来表示各部分的动力学特性，通过建立各部位运动微分方程来描述人体各部位动力学关系，具体过程如下：
14、建立用于模拟人体在冲击机高频振动下的响应的生物动力学模型，生物动力学模型包括足部、腿部、盆骨、内脏、上肢、头部和座椅系统，并建立系统动力学方程为：
15、
16、其中：z是位移向量，是速度向量，是加速度向量，f(t)是激励力，mi为模型第i个部分的质量，ci为模型第i个部分阻尼，ki为模型第i个部分的刚度；zt是z的转置，其中zt＝{z1,z2,z3,z4,z5,z6,z7}；f(t)t是激振力f(t)矢量的转置，为输入的速度，其中其中m、k和c的质量、刚度和阻尼矩阵表示为：
17、
18、
19、优选的，步骤s4中，首先通过在中型垂向实验冲击机上测得所设置部位的加速度响应数据，而后通过遗传算法和加速算法辨识得到较为准确的七自由度质量-弹簧-阻尼器耦合模型参数。
20、优选的，利用所述遗传算法获取目标函数最小值，在达到最优解时辨识目标函数中的参数，所述目标函数是利用最小二乘法来获取模型m、k和c参数最优解，目标函数如下式所示：
21、
22、其中：τe(i)是系统第i个辨识试验加速度数据，τm(i)是系统模型的第i个模拟仿真加速度数据，n试验值的数量；
23、由于数据采集器采集数据量较大，载荷数据输入模型计算较为缓慢，所述加速算法用于快速计算出模型各部位加速度响应。
24、优选的，步骤s5中，对动力学模型进行准确性验证，即拟合优度，所述拟合优度用于量化标准对参数辨识效果进行评估，具体公式如下式所示：
25、
26、其中：τm是实验值，τc是仿真值，n为实验值数量。
27、因此，本发明采用上述一种振动冲击下坐姿人体典型器官响应模型的构建方法，有益效果如下：
28、(1)本发明可以提高坐姿人体全器官弹簧-集中质量响应模型在较强振动冲击环境下的适用性和可靠性。
29、(2)本发明基于实验测得加速度响应，通过遗传算法和加速算法对模型参数辨识，使模型能够更准确来评估人体在不同振动冲击条件下的响应和损伤风险，从而为安全保护和舒适度提供设计参考。
30、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
1.一种振动冲击下坐姿人体典型器官响应模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种振动冲击下坐姿人体典型器官响应模型的构建方法，其特征在于，步骤s1中，坐姿人体振动冲击实验所需实验设备为中型垂向实验冲击机、单轴加速度传感器、数据采集仪和实验用座椅；
3.根据权利要求2所述的一种振动冲击下坐姿人体典型器官响应模型的构建方法，其特征在于，步骤s2中，所述参数辨识实验是通过实验所得数据用于动力学模型参数辨识；
4.根据权利要求3所述的一种振动冲击下坐姿人体典型器官响应模型的构建方法，其特征在于，步骤s3中，将人体各部分简化成质量块，以弹簧和阻尼连接来表示人体各部分的结构关系，用刚度和阻尼来表示各部分的动力学特性，通过建立各部位运动微分方程来描述人体各部位动力学关系，具体过程如下：
5.根据权利要求4所述的一种振动冲击下坐姿人体典型器官响应模型的构建方法，其特征在于，步骤s4中，首先通过在中型垂向实验冲击机上测得所设置部位的加速度响应数据，而后通过遗传算法和加速算法辨识得到较为准确的七自由度质量-弹簧-阻尼器耦合模型参数。
6.根据权利要求5所述的一种振动冲击下坐姿人体典型器官响应模型的构建方法，其特征在于，利用所述遗传算法获取目标函数最小值，在达到最优解时辨识目标函数中的参数，所述目标函数是利用最小二乘法来获取模型m、k和c参数最优解，目标函数如下式所示：
7.根据权利要求6所述的一种振动冲击下坐姿人体典型器官响应模型的构建方法，其特征在于，步骤s5中，对动力学模型进行准确性验证，即拟合优度，所述拟合优度用于量化标准对参数辨识效果进行评估，具体公式如下式所示：
