基于Ansys的飛行員座椅坐墊舒適性仿真

李先學(xué)，丁立*，王興偉，魏仕華，周前祥，呼慧敏

(1.北京航空航天大學(xué) 生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京100191;2.中國(guó)人民解放軍 空軍航空醫(yī)學(xué)研究所，北京100036;3.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電技術(shù)學(xué)院，泰州225300;4.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京100088)

民航客機(jī)飛行時(shí)遭遇湍流，會(huì)在瞬間被氣流拋起、摔落，該過(guò)程中過(guò)載能達(dá)到 2.5g以上［1］;而戰(zhàn)斗機(jī)在執(zhí)行特殊任務(wù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生高達(dá)9g的豎直方向過(guò)載，這會(huì)對(duì)飛行員產(chǎn)生很?chē)?yán)重的損害，研究顯示，殲擊機(jī)飛行員腰腿痛的發(fā)生率為31.5%，其中最常見(jiàn)的是腰肌勞損及腰椎間盤(pán)突出癥［2］.座椅良好的舒適性能有利于保護(hù)飛行員減少損傷.長(zhǎng)期以來(lái)，研究人員對(duì)座椅的舒適性進(jìn)行了很多理論與實(shí)驗(yàn)研究［3-9］，發(fā)現(xiàn)人椅界面的應(yīng)力分布是個(gè)很重要的指標(biāo)，并提出了滿足舒適性體壓分布的一般準(zhǔn)則［10-12］.

鑒于通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)評(píng)價(jià)座椅的舒適性費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，利用有限元模型來(lái)評(píng)價(jià)座椅舒適性的方法得到了較快的發(fā)展［13-17］.其一般做法是建立人以及座椅的有限元模型，模擬坐在座椅上的姿勢(shì)，計(jì)算人與座椅接觸面的應(yīng)力分布，通過(guò)分析應(yīng)力分布以及應(yīng)力大小來(lái)評(píng)價(jià)座椅的舒適性.不少文獻(xiàn)利用有限元模型研究座椅的舒適性，但基本都是針對(duì)汽車(chē)座椅以及辦公座椅來(lái)進(jìn)行，專(zhuān)門(mén)針對(duì)飛機(jī)座椅尤其是過(guò)載下的舒適性仿真未見(jiàn)報(bào)道.

本文針對(duì)飛機(jī)座椅，建立了人-座椅有限元模型，對(duì)飛機(jī)座椅的力學(xué)舒適性進(jìn)行仿真，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證了模型的有效性，并研究了不同過(guò)載下的應(yīng)力分布情況，為座椅的舒適性設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).

1 考慮骨盆的人-坐墊模型

本文應(yīng)用Mimics和Ansys軟件，基于CT數(shù)據(jù)獲得了骨盆的有限元模型，并在Ansys中建立了人體臀部、大腿以及坐墊模型，最終形成了包括骨盆、臀部、大腿、坐墊在內(nèi)的人-座椅坐墊有限元模型.

1.1 骨盆的建模

為減少模型在Ansys中的計(jì)算量，在原有的骨盆三維模型(基于骨盆CT圖像數(shù)據(jù)處理得到，包含37 218個(gè)三角面片)基礎(chǔ)上，通過(guò)Mimics中有限元處理模塊Remesh，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理，優(yōu)化后的骨盆三維模型三角面片數(shù)量為原來(lái)的20%，為6096個(gè)，可大大減少模型求解的計(jì)算量.

在Mimics中將優(yōu)化后的模型導(dǎo)出為Ansys支持的格式文件，即Ansys areas files(.lis)，然后將其導(dǎo)入Ansys中生成體.

1.2 臀部-大腿的建模

參照我國(guó)飛行員的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，對(duì)一名男性志愿者坐姿下的人體外形進(jìn)行三維掃描，得到人體三維點(diǎn)云數(shù)據(jù).提取關(guān)鍵尺寸值，如臀寬、大腿長(zhǎng)、大腿厚等，根據(jù)這些數(shù)據(jù)在Ansys中采用自上而下的方式建立臀部-大腿三維模型.

1.3 座椅坐墊建模

為了模擬人與座椅坐墊間的應(yīng)力分布，建立了一個(gè)矩形坐墊，坐墊尺寸為500 mm×400 mm×40 mm.

1.4 材料參數(shù)

文中模型材料全部假定為各向同性材料，骨盆彈性模量100 GPa，泊松比0.3;臀部彈性模量90MPa，泊松比0.49;坐墊彈性模量210GPa，泊松比 0.3［15，18］.

1.5 約束關(guān)系

骨盆與軟組織以及軟組織與坐墊之間均采用了布爾運(yùn)算的粘結(jié)操作，保證邊界共用節(jié)點(diǎn)，以便實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的傳遞.坐墊下表面約束所有的自由度為0.

1.6 有限元網(wǎng)格劃分

本文中對(duì)骨盆、臀部-大腿軟組織以及坐墊均采用10節(jié)點(diǎn)四面體Solid92單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格化分.劃分后的骨盆有限元模型包含34 438個(gè)節(jié)點(diǎn)，21 939個(gè)單元，最終建立了人-座椅坐墊的有限元模型(圖1).

圖1 人-座椅坐墊有限元模型Fig.1 Human-seat cushion finite element model

2 坐姿下應(yīng)力分布有限元計(jì)算

2.1 施加載荷

通過(guò)在脊柱以及大腿上表面施加不同的壓力來(lái)模擬軀干重力以及垂直方向的過(guò)載.鑒于戰(zhàn)斗機(jī)最大過(guò)載不超過(guò)9g，且大部分時(shí)間處于低過(guò)載狀態(tài)，本文對(duì)如表1的6種過(guò)載進(jìn)行了仿真計(jì)算.

表1 所施加載荷及部位Table1 Loads and locations

2.2 仿真計(jì)算

首先進(jìn)行1g環(huán)境下的有限元仿真，將計(jì)算得到的坐應(yīng)力分布與實(shí)驗(yàn)獲得的應(yīng)力分布進(jìn)行比較用于驗(yàn)證模型的有效性，然后再分別進(jìn)行表1中其他5種過(guò)載加速度下的仿真計(jì)算.

3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的有效性，將人-坐墊接觸面的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的應(yīng)力分布進(jìn)行比較.如果仿真與實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力分布以及應(yīng)力值大小相對(duì)應(yīng)，則認(rèn)為建立的仿真模型有效.

3.1 坐應(yīng)力實(shí)驗(yàn)

本文采用Pliance-X壓力坐墊對(duì)坐姿下人-坐墊接觸面坐應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量.Pliance-X壓力傳感器排列方式為16×16共計(jì)256個(gè)傳感器，可以較為準(zhǔn)確地測(cè)量人-坐墊坐應(yīng)力分布.

實(shí)驗(yàn)中，受試者上身直立端坐在坐墊上，待壓力測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進(jìn)行記錄，記錄20 s.仿真計(jì)算中坐墊的物理參數(shù)與實(shí)驗(yàn)中實(shí)際坐墊相同.施加在臀部模型上的應(yīng)力也是根據(jù)受試者實(shí)際體重?fù)Q算而來(lái).

3.2 應(yīng)力分布對(duì)比

圖2為仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)應(yīng)力云圖，可以發(fā)現(xiàn)兩者坐應(yīng)力分布情況基本相同，即在坐骨結(jié)節(jié)部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并以此為中心向四周逐漸降低.

3.3 坐骨結(jié)節(jié)連線上應(yīng)力分布

圖3顯示了兩個(gè)坐骨結(jié)節(jié)連線上的應(yīng)力分布.仿真計(jì)算中坐骨結(jié)節(jié)處最大應(yīng)力為44 kPa，實(shí)驗(yàn)中坐骨結(jié)節(jié)處最大應(yīng)力為50 kPa，兩者基本相同.仿真計(jì)算中平均坐應(yīng)力為16.24 kPa，實(shí)驗(yàn)中坐應(yīng)力為15.12 kPa，兩者也基本相同.在坐應(yīng)力的變化趨勢(shì)方面，仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，都是在坐骨結(jié)節(jié)處坐應(yīng)力最大，并以坐骨結(jié)節(jié)為中心往兩邊逐漸減小.由此可見(jiàn)，仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)力分布具有很大的一致性.

圖2 坐應(yīng)力分布的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.2 Simulation and experiment results of sitting pressure

圖3 仿真和實(shí)驗(yàn)坐骨結(jié)節(jié)連線上應(yīng)力分布對(duì)比Fig.3 Sitting pressure across the ischium nodule line from simulation and experiment

通過(guò)比較仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的坐應(yīng)力分布云圖以及坐骨結(jié)節(jié)連線上的應(yīng)力變化曲線，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在最大坐應(yīng)力、平均坐應(yīng)力和變化趨勢(shì)上具有較好的相似性，仿真模型可以真實(shí)地反映實(shí)際的坐應(yīng)力分布情況，說(shuō)明所建立的有限元模型有效可行.

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 總體應(yīng)力分布

圖4為仿真模型中的Von Mises等效應(yīng)力分布情況.Von Mises等效應(yīng)力是基于剪切應(yīng)變能的一種等效應(yīng)力，服從第四強(qiáng)度理論，即其認(rèn)為形狀改變比能是引起材料屈服破壞的主要因素，適用于本文模型中的塑性變形情況.從圖4應(yīng)力分布外表面來(lái)看，其應(yīng)力主要集中在骨盆部位，這與坐姿時(shí)應(yīng)力分布的實(shí)際情況相符.

圖4 模型上的等效應(yīng)力分布Fig.4 Von Mises pressure distribution on the model

4.2 坐墊上應(yīng)力分布

圖5為人體模型與坐墊接觸面上的Von Mises等效應(yīng)力分布.由圖可知，在臀部左右坐骨結(jié)節(jié)處應(yīng)力值最大，并以此向周?chē)饾u減小，滿足舒適坐墊的體壓分布曲線［11］.

相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)平均坐應(yīng)力、最大坐應(yīng)力、接觸面積大小以及對(duì)稱(chēng)性等指標(biāo)可以用來(lái)表征坐應(yīng)力分布與坐墊舒適性的關(guān)系.通過(guò)圖5坐墊上應(yīng)力分布云圖以及數(shù)據(jù)，可以計(jì)算不同坐墊下的平均坐應(yīng)力、最大坐應(yīng)力等相關(guān)指標(biāo)，以此來(lái)判斷不同坐墊的舒適性.

圖5 坐墊上的等效應(yīng)力分布Fig.5 Von Mises pressure distribution on the cushion

4.3 骨盆上應(yīng)力分布

圖6為骨盆應(yīng)力分布外觀圖和內(nèi)部切片圖.可看出，在骨盆的坐骨結(jié)節(jié)以及骶髂關(guān)節(jié)部位應(yīng)力分布最為集中，而研究表明，46%的飛行員患有腰椎間盤(pán)突出［19］，這與骶髂關(guān)節(jié)部位的應(yīng)力過(guò)大有關(guān)，因此可將該部位的應(yīng)力大小作為舒適性評(píng)價(jià)的依據(jù).參照骨盆相應(yīng)部位損傷時(shí)所承受的最大應(yīng)力，可通過(guò)這幾個(gè)部位的應(yīng)力大小來(lái)判斷人承受過(guò)載加速度的極限，以及選取合適的坐墊材料，設(shè)計(jì)合理的坐面傾角等.這對(duì)于減輕和預(yù)防飛行員執(zhí)行過(guò)載任務(wù)時(shí)的身體損傷具有重要的參考價(jià)值.

圖6 坐姿下骨盆應(yīng)力分布Fig.6 Pressure distribution of the pelvis

4.4 不同過(guò)載下應(yīng)力分布

4.4.1 不同過(guò)載下人體內(nèi)部最大應(yīng)力

模型中最大應(yīng)力為Z方向應(yīng)力的最大值.圖7為不同過(guò)載加速度下的最大應(yīng)力.由圖可知，在不同過(guò)載加速度下，即給模型施加相應(yīng)倍數(shù)的壓應(yīng)力，模型中的最大壓應(yīng)力與施加的壓應(yīng)力是線性關(guān)系.

圖7 不同過(guò)載加速度下模型最大應(yīng)力Fig.7 Maximum pressure on the interior human body at different overload accelerations

4.4.2 不同過(guò)載下坐墊上最大應(yīng)力

不同過(guò)載加速度下坐墊上的應(yīng)力分布趨勢(shì)是大體一致的，但其最大應(yīng)力具有一定的差異.圖8為不同過(guò)載加速度下坐墊上的Z方向最大應(yīng)力值.由圖可知，不同過(guò)載加速度下，坐墊上的最大應(yīng)力與施加的壓應(yīng)力之間是線性關(guān)系.

圖8 不同過(guò)載加速度下坐墊最大應(yīng)力Fig.8 Maximum pressure on the cushion at different overload accelerations

通過(guò)圖7和圖8可知，本文模型中應(yīng)力與過(guò)載加速度之間為線性關(guān)系，這種關(guān)系有助于減少計(jì)算量，即如果計(jì)算得到一種過(guò)載加速度下的應(yīng)力分布情況，便可推出其他過(guò)載加速度下的應(yīng)力分布.但需要注意的是，由于本文中模型采用的是各向同性材料，與真實(shí)人體的生物力學(xué)特性存在一定差異，因此本文結(jié)果不一定真實(shí)反映不同過(guò)載下人體內(nèi)部應(yīng)力的變化情況.

5 結(jié)論

1)本文建立了人-座椅坐墊模型，其中人模型包括骨盆等骨組織以及臀部和大腿等軟組織，并模擬計(jì)算了地面環(huán)境下坐姿時(shí)的應(yīng)力分布情況，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的坐應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算得到的應(yīng)力分布變化趨勢(shì)以及應(yīng)力值與實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)相一致，驗(yàn)證了模型的有效性.

2)本文中建立的模型可以分析人體內(nèi)部骨盆以及軟組織的應(yīng)力分布情況，獲得應(yīng)力在人體內(nèi)部集中區(qū)域，進(jìn)而分析可能會(huì)引起人體不舒適的部位.

3)鑒于仿真計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，本文中模型還可用于不同過(guò)載下的應(yīng)力分布計(jì)算.比如飛行員執(zhí)行特殊任務(wù)時(shí)或者載人火箭發(fā)射階段航天員面臨的過(guò)載情況，通過(guò)分析應(yīng)力分布，可以針對(duì)性地提出改善舒適性的措施，對(duì)于我國(guó)飛機(jī)座椅等的設(shè)計(jì)改進(jìn)具有一定的參考價(jià)值.

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