基于H點(diǎn)裝置仿真的壓力分布與座椅參數(shù)測量和舒適性評(píng)價(jià)的研究

陳俊豪，任金東，劉 濤，華 猛，劉洪浩

(吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長春 130022)

基于H點(diǎn)裝置仿真的壓力分布與座椅參數(shù)測量和舒適性評(píng)價(jià)的研究

陳俊豪，任金東，劉 濤，華 猛，劉洪浩

(吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長春 130022)

為研究人-椅界面的壓力分布座椅不同參數(shù)對(duì)座椅靜態(tài)舒適性的影響，基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建了H點(diǎn)裝置有限元模型，驗(yàn)證了幾何模型的主要尺寸、各部分的質(zhì)量、腰部調(diào)節(jié)量和軀干運(yùn)動(dòng)學(xué)姿態(tài)；對(duì)幾何模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，并定義了接近真實(shí)情況的邊界條件，對(duì)有限元模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。建立了簡化的座椅有限元模型，并將H點(diǎn)裝置和座椅有限元模型裝配在一起；按照實(shí)際接觸情況施加邊界條件，進(jìn)行了壓力分布仿真，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。最后以某一座椅實(shí)例，驗(yàn)證了利用H點(diǎn)裝置有限元仿真進(jìn)行座椅參數(shù)和壓力分布測量的可行性，并提出了一種基于H點(diǎn)裝置仿真壓力分布的座椅靜態(tài)舒適性評(píng)價(jià)模型。

H點(diǎn)裝置；壓力分布；座椅參數(shù)；靜態(tài)舒適性

前言

人-座椅間的界面壓力是度量座椅舒適性的重要指標(biāo)[1-3]，其確定有試驗(yàn)和仿真兩種方法。試驗(yàn)方法主要難點(diǎn)在于可重復(fù)性差，影響因素多且復(fù)雜。對(duì)于真人試驗(yàn)，需要綜合不同人的壓力分布結(jié)果，還受主觀因素的影響。用實(shí)物代替真人試驗(yàn)通常使用假臀、假腿來模擬真人，但假臀和假腿等實(shí)物不能真實(shí)地模擬人體輪廓，且背部輪廓有時(shí)不能與靠背很好地貼合，尤其是座椅存在腰部支撐時(shí)。相比試驗(yàn)方法，仿真方法具有成本低、周期短、不受客觀因素影響的優(yōu)點(diǎn)。目前國外眾多學(xué)者建立人體有限元模型來仿真人-椅間的相互作用[4-10]，所建立的人體模型與真人相似度很高，但存在建模和仿真工作量大、難以綜合各種身材壓力分布結(jié)果來評(píng)價(jià)座椅舒適性的問題，且無法用于對(duì)標(biāo)分析。

鑒于實(shí)物評(píng)價(jià)和真實(shí)人體有限元仿真在評(píng)價(jià)座椅舒適性方面存在的不足，探索一種重復(fù)性好、能用于座椅設(shè)計(jì)初期快速計(jì)算和評(píng)價(jià)座椅壓力分布的方法很有價(jià)值[11-13]。H點(diǎn)裝置(H point machine，HPM)是車身布置和測量的工具，對(duì)駕駛室人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)和參數(shù)測量、輔助駕駛室內(nèi)部基準(zhǔn)點(diǎn)的定位有重要意義。本文中探索利用H點(diǎn)裝置有限元模型進(jìn)行仿真計(jì)算來測量座椅布置參數(shù)、計(jì)算人-椅壓力分布，進(jìn)而評(píng)價(jià)靜態(tài)舒適性的方法。

1 H點(diǎn)裝置簡介

H點(diǎn)裝置對(duì)于駕駛室人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與測量和輔助駕駛室內(nèi)部基準(zhǔn)點(diǎn)的定位具有重要意義。HPM-Ⅱ型H點(diǎn)裝置主體部分由鞋、小腿、大腿、座板和軀干組成，各部分均可拆卸。胸部、腰部、大腿、盆骨等處都裝有配重塊，模擬真實(shí)人體的質(zhì)量。表1列出了H點(diǎn)裝置的各部件質(zhì)量。圖1為H點(diǎn)測量裝置的主要尺寸[14]。

表1 H點(diǎn)測量裝置各部分質(zhì)量

軀干和座板與座椅接觸的部位具有與人體外輪廓相似的形狀。在座板和軀干上還有用于度量坐墊角、軀干角、腰部支撐量、H點(diǎn)位置的基準(zhǔn)或標(biāo)尺。H點(diǎn)裝置的軀干和座板部分主要依據(jù)美國中等身材男性輪廓制造，腿部長度可調(diào)節(jié)，以便于根據(jù)不同設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行布置或測量。

測量駕駛室或座椅參數(shù)是H點(diǎn)裝置的主要功能。HPM-Ⅱ型H點(diǎn)裝置在測量座椅參數(shù)時(shí)可以脫離駕駛室布置環(huán)境，且可不安裝腿部，相對(duì)于老版本的H點(diǎn)裝置(OsCar)有了很大改進(jìn)。

圖1 H點(diǎn)裝置的主要尺寸

2 H點(diǎn)裝置有限元建模

2.1 幾何建模

通過測繪建立H點(diǎn)裝置幾何模型。為保證幾何模型還可用于駕駛室布置，在CATIA中各自建立各部分的幾何模型，并裝配到一起，設(shè)定參數(shù)來控制HPM的角度和姿勢，見圖2和表2，參數(shù)的含義參見文獻(xiàn)[15]。裝配后的模型在DMU(digitalmockup)模塊中驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，尤其是檢驗(yàn)腰部支撐量的變化能否體現(xiàn)在背板機(jī)構(gòu)上、尺寸的變化是否正確等。HPM幾何模型主要尺寸的驗(yàn)證如圖3所示。

圖2 H點(diǎn)測量裝置幾何模型

軀干部機(jī)構(gòu)主要驗(yàn)證腰部支撐量，在不同變化范圍內(nèi)進(jìn)行參數(shù)化調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)范圍可與H點(diǎn)裝置保持一致，軀干部機(jī)構(gòu)的驗(yàn)證如圖4所示。

表2 H點(diǎn)裝置幾何模型控制參數(shù)

圖4 軀干部機(jī)構(gòu)的驗(yàn)證

圖3 主要尺寸的驗(yàn)證

2.2 有限元建模

基于幾何模型建立了有限元模型。之前對(duì)幾何模型進(jìn)行了必要的簡化。通過HyperMesh中幾何模型簡化工具，將模型中無關(guān)緊要、對(duì)分析結(jié)果影響不大或?qū)W(wǎng)格劃分造成困難的幾何特征移除，從而使零部件幾何特征更加簡潔，降低建模難度。圖5為H點(diǎn)測量裝置有限元模型。

簡化后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分：板類結(jié)構(gòu)采用10mm的殼單元進(jìn)行劃分，實(shí)體結(jié)構(gòu)采用4mm的四面體單元進(jìn)行劃分，最終創(chuàng)建的H點(diǎn)測量裝置有限元模型如圖6所示。與座椅變形相比，H點(diǎn)裝置的變形量可忽略不計(jì)，故在定義材料屬性時(shí)，把H點(diǎn)裝置視為剛體。各部件力學(xué)特性是各向同性線彈性材料，彈性模量和泊松比均以配重的材質(zhì)低碳鋼為標(biāo)準(zhǔn)，分別取為200GPa和0.28，根據(jù)上面提到的H點(diǎn)裝置各部分的質(zhì)量，結(jié)合CATIA建模時(shí)測得各部件的體積得出相應(yīng)的密度。座板和背板在屬性定義時(shí)，考慮幾何建模的方便性，密度設(shè)置為0，將其實(shí)際質(zhì)量附加在配重上，可以減少工作量和計(jì)算時(shí)間。所有質(zhì)量塊與其安裝結(jié)構(gòu)之間采用“Tie”形式進(jìn)行綁定約束，實(shí)體結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)的板類結(jié)構(gòu)之間也采用“Tie”形式約束，防止移動(dòng)，采用Hinge和Translator連接器模擬機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，每對(duì)接觸面之間的摩擦因數(shù)為0.15，加載方式為對(duì)H點(diǎn)裝置施加重力場。

圖5 H點(diǎn)測量裝置有限元模型

圖6 裝配好的H點(diǎn)裝置有限元模型

2.3 模型的驗(yàn)證

盡管所建立的HPM幾何模型很準(zhǔn)確，但在有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，模型的體積會(huì)發(fā)生變化，故有必要對(duì)HPM仿真模型各部分的質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證和校準(zhǔn)。表3為校準(zhǔn)后的HPM仿真模型的各部分質(zhì)量。與表1對(duì)比可見，HPM仿真模型的各部分質(zhì)量均在允許誤差范圍之內(nèi)。

3 H點(diǎn)裝置-座椅界面壓力仿真

3.1 座椅有限元建模

基于座椅幾何模型進(jìn)行有限元建模。座椅的幾何模型如圖7(a)所示。對(duì)于H點(diǎn)裝置-座椅界面間壓力及其分布有影響的主要是海綿形狀，因此，忽略與本文關(guān)系不大的座椅內(nèi)部結(jié)構(gòu)(骨架、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等，海綿背面沒有彈簧等彈性元件)，只保留了座椅的海綿外部輪廓。將幾何模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立的有限元模型如圖7(b)所示。海綿采取邊長為10mm的四面體網(wǎng)格進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，以獲得較高的計(jì)算效率[16]。

圖7 座椅幾何和有限元模型

3.2 海綿材料模型

目前汽車上廣泛采用的座椅海綿材料是聚氨酯泡沫塑料，具有較強(qiáng)的物理非線性、幾何非線性，而彈性泡沫材料具有高度非線性的本構(gòu)模型，承受壓力載荷作用時(shí)能體現(xiàn)出大變形特性。所以本文中采用超彈性泡沫材料描述座椅海綿材料本構(gòu)關(guān)系，并模擬其較強(qiáng)的物理和幾何的非線性特性。超彈性泡沫材料的應(yīng)變能函數(shù)為

式中：N為應(yīng)變能函數(shù)階數(shù)；ui，αi和βi為依賴于溫度的材料參數(shù)；λi為主伸長率，其中i＝1，2，3；Jel為彈性體積比。

采用2階應(yīng)變能函數(shù)(N＝2)。為了更加真實(shí)地模擬座椅海綿的屈服過程，將該材料泊松比設(shè)置為0，以忽略座椅材料的側(cè)向抵抗效果。參照文獻(xiàn)[17]和文獻(xiàn)[18]，海綿材料本構(gòu)關(guān)系通過單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)和剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)來定義，如圖8所示，在ABAQUS軟件中通過最小二乘法來擬合應(yīng)變能函數(shù)中的各參數(shù)。本研究只關(guān)心H點(diǎn)裝置落座至穩(wěn)定時(shí)的壓力分布情況，不關(guān)心座椅回彈時(shí)的壓力分布情況。

圖8 海綿材料特性曲線

3.3 邊界條件和仿真計(jì)算

接觸情況盡可能真實(shí)地模擬實(shí)際情況并保證有限元模型的準(zhǔn)確性，H點(diǎn)裝置模型與座椅模型和H點(diǎn)裝置模型腳部與地面之間的接觸均采用“罰函數(shù)”的方法進(jìn)行控制。H點(diǎn)裝置與座椅之間采用面-面的接觸方式，考慮到兩者之間的摩擦力，切向?qū)傩栽O(shè)置為罰函數(shù)的摩擦公式，摩擦因數(shù)為0.3。在面與面接觸時(shí)，剛性面設(shè)置為主面，可變形面為從面。H點(diǎn)裝置比座椅剛性大，所以H點(diǎn)裝置為主面。座椅模型的坐墊海綿底面和靠背海綿底面約束全部自由度，保證在仿真時(shí)座椅保持不動(dòng)。H點(diǎn)裝置模型在座椅上的加載方式為重力加載。

3.4 仿真結(jié)果驗(yàn)證

利用H點(diǎn)裝置進(jìn)行壓力分布試驗(yàn)，以驗(yàn)證建立的H點(diǎn)裝置仿真模型的準(zhǔn)確性。H點(diǎn)裝置和座椅參見圖9。試驗(yàn)和仿真得到的壓力分布云圖見圖10。將位于平行于矢狀面且通過坐骨下方節(jié)點(diǎn)的斷面(關(guān)鍵斷面)內(nèi)的壓力分布曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖11所示。由圖可知，仿真與測試結(jié)果的趨勢基本一致。仿真得到的壓強(qiáng)略大于試驗(yàn)結(jié)果，其原因是處于H點(diǎn)裝置與座椅海綿之間的壓力傳感器(墊)加大了座椅表面剛度的緣故。

圖9 H點(diǎn)裝置實(shí)物模型

圖10 壓力分布試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

圖11 關(guān)鍵斷面內(nèi)的壓力分布仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 應(yīng)用

4.1 座椅參數(shù)測量仿真試驗(yàn)

H點(diǎn)裝置主要用于駕駛室和座椅布置參數(shù)的測量。在基于人-椅間壓力分布仿真的座椅舒適性研究中，如果座椅海綿造型或者布置參數(shù)發(fā)生變化，人-椅間壓力分布也會(huì)發(fā)生改變。為在不制造實(shí)物的條件下能夠得知座椅布置參數(shù)，利用H點(diǎn)裝置仿真的方法進(jìn)行測量。為驗(yàn)證這種方法的準(zhǔn)確性，采用某款座椅實(shí)物，將坐墊角和靠背角分別調(diào)整到一定角度，方案見表4，共25組試驗(yàn)，并利用H點(diǎn)裝置仿真測量對(duì)應(yīng)的角度。座椅出廠時(shí)的坐墊角和靠背角分別為14°和22°，仿真測得角度分別為13.8°和21.8°。對(duì)比其它情況下的仿真與試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性。限于篇幅，圖12給出了坐墊角為14°時(shí)調(diào)整靠背角，以及靠背角為19°時(shí)調(diào)整坐墊角得到的結(jié)果。從圖12可見，仿真結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果基本吻合，角度相差不超過2°。除坐墊和靠背角外，還可仿真測量H點(diǎn)位置和座椅腰部支撐量的大小。

表4 驗(yàn)證方案(°)

4.2 基于壓力分布的座椅舒適性評(píng)價(jià)

H點(diǎn)裝置的另一重要用途是模擬真人與座椅之間的相互作用，其主要表現(xiàn)形式是人-椅間壓力分布，常被用來對(duì)座椅靜態(tài)舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)。利用H點(diǎn)裝置的仿真模型進(jìn)行壓力分布仿真，通過仿真得到的壓力分布與理想壓力分布的對(duì)比，來評(píng)價(jià)座椅的不舒適性：

圖12 仿真與實(shí)測角度對(duì)比

式中：D為不舒適性；wi為區(qū)域i的權(quán)系數(shù)；mi為區(qū)域i中接觸單元的個(gè)數(shù)；pij為區(qū)域i中接觸單元j處的壓強(qiáng)；pIi為區(qū)域i處的理想壓強(qiáng)。

圖13為典型的理想壓力分布[19]。

圖13 理想壓力分布圖

5 結(jié)論

研究建立H點(diǎn)裝置有限元模型，通過仿真獲得人-椅間壓力分布和座椅布置參數(shù)(H點(diǎn)位置、坐墊角、靠背角、腰部支撐量)，驗(yàn)證了該方法的可行性和準(zhǔn)確性。由于建模時(shí)存在一定的簡化，建模和計(jì)算精度還有待于進(jìn)一步提高。初步提出了基于理想壓力分布的座椅靜態(tài)舒適性評(píng)價(jià)模型，可很好地結(jié)合H點(diǎn)裝置仿真得到的壓力分布來評(píng)價(jià)座椅靜態(tài)舒適性。下一步將通過實(shí)際的應(yīng)用來識(shí)別模型參數(shù)，并對(duì)模型的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

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A Research on the Measurement of Pressure Distribution and Seat Parameters and Comfort Evaluation Based on HPM Simulation

Chen Junhao，Ren Jindong，Liu Tao，Hua M eng＆Liu Honghao
College of Automotive Engineering，Jilin University，Changchun 130022

In order to study the pressure distribution of human body-seat interface and the influence of seat parameters on its static comfort，a finite elements(FE)model for H-pointmachine(HPM)is constructed based on corresponding regulations，and themain dimensions of geometricmodel，themass of each part，the lumbar support adjustments and the kinematic posture of trunk are verified.Then the grid mesh of geometric model are generated，and boundary conditions are defined according to real situations，with the correctness of FE model validated.The simplified seat FEmodel is established and assembled with HPM FEmodel，boundary conditions are applied based on actual contact situations，and a simulation on pressure distribution is conducted with its results verified by tests. Finally with a real example of seat，the feasibility of using FE simulation of HPM tomeasure seat parameters and pressure distribution is verified，and a evaluation model for the static comfort of seat based on pressure distribution simualted is put forward.

H-pointmachine；pressure distribution；seat parameters；static com fort

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.05.017

原稿收到日期為2016年5月13日，修改稿收到日期為2016年7月4日。

任金東，副教授，E-mail：renjindong＠163.com。