轎車座椅R點(diǎn)預(yù)測(cè)及體壓分布研究

何 娟，張學(xué)榮

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

轎車座椅R點(diǎn)預(yù)測(cè)及體壓分布研究

何 娟，張學(xué)榮

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

以某汽車座椅為研究對(duì)象，使用MADYMO軟件預(yù)測(cè)座椅R點(diǎn)，并對(duì)體壓分布進(jìn)行研究?；赗點(diǎn)測(cè)量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11551—2003《乘坐位置H點(diǎn)和實(shí)際靠背角的確定程序》確定R點(diǎn)的預(yù)測(cè)方法。另外，基于理想體壓分布圖，采用舒適體壓分布特征、最大壓力和對(duì)稱度誤差這3個(gè)指標(biāo)來(lái)綜合評(píng)價(jià)體壓分布的舒適性。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化，改變座椅坐墊泡沫剛度進(jìn)行各種剛度下的仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：兩種預(yù)測(cè)結(jié)果僅相差0.001 m，說(shuō)明 R點(diǎn)預(yù)測(cè)方法較準(zhǔn)確，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值；座椅泡沫剛度在0.8～0.9倍區(qū)間內(nèi)，可使不同身材的乘員乘坐最舒適。

R點(diǎn)；體壓分布；舒適性

汽車座椅的舒適性是整車舒適性的主要因素,座椅設(shè)計(jì)得不舒適會(huì)引起乘員的身體和心理疲勞，增加交通事故發(fā)生概率，對(duì)生命造成損害[1]。而與座椅乘坐舒適性密切相關(guān)的兩方面因素是汽車設(shè)計(jì)之初的座椅R點(diǎn)和乘員落座之后的體壓分布[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外座椅R點(diǎn)的測(cè)量和體壓分布的研究一般是通過(guò)試驗(yàn)的方法進(jìn)行的。通過(guò)使用坐姿體壓分布測(cè)量系統(tǒng)、壓力傳感器墊以及分布式體壓分布測(cè)試系統(tǒng)等測(cè)量方法獲得人體的體壓分布圖。試驗(yàn)通常需要儀器設(shè)備、真實(shí)座椅、各不同百分位人群和3-DH裝置等，并進(jìn)行大量重復(fù)的測(cè)試性試驗(yàn)，消耗大量的人力、物力和時(shí)間，而且座椅概念設(shè)計(jì)階段無(wú)法預(yù)測(cè)其R點(diǎn)及體壓分布[3-5]。為此，本文采用MADYMO軟件進(jìn)行座椅R點(diǎn)預(yù)測(cè)及體壓分布的仿真研究，此軟件的求解器基于數(shù)值模擬方法，可以對(duì)座椅乘坐舒適性的長(zhǎng)期質(zhì)量和可靠性進(jìn)行評(píng)估[6]。MADYMO軟件還可提供各種不同類型的人體模型[7]。本文通過(guò)分別建立3-DH(見(jiàn)圖1)裝置和座椅模型、95百分位人體和座椅模型來(lái)進(jìn)行R點(diǎn)的仿真預(yù)測(cè)。由于在以往的研究中人體模型大都使用多剛體模型[3,8]，預(yù)測(cè)結(jié)果與人體有較大偏差。本文的人體模型采用facet有限元人體模型，此模型的各個(gè)部分尺寸和質(zhì)量與真人相近，仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確[9]。通過(guò)各不同百分位有限元人體和座椅模型的仿真計(jì)算得出體壓分布圖，并進(jìn)行舒適性評(píng)價(jià)。

圖1 3-DH裝置

1 座椅R點(diǎn)預(yù)測(cè)

查閱R點(diǎn)測(cè)量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11551—2003 《乘坐位置H點(diǎn)和實(shí)際靠背角的確定程序》，并基于此標(biāo)準(zhǔn)確定R點(diǎn)的預(yù)測(cè)方法[4]。本文所采用的R點(diǎn)預(yù)測(cè)方法分別采用2個(gè)模型來(lái)完成：第95百分位有限元人體和座椅模型(以下簡(jiǎn)稱95百分位模型)、3-DH裝置和座椅模型(以下簡(jiǎn)稱3-DH裝置模型)。在建模及仿真的基礎(chǔ)上，對(duì)兩種仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析。

1.1 R點(diǎn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)(預(yù)測(cè)依據(jù))

R點(diǎn)是設(shè)計(jì)時(shí)的參考點(diǎn)，也是“座椅參考點(diǎn)”或“乘坐基準(zhǔn)點(diǎn)”，是由制造廠為每一乘坐位置規(guī)定的設(shè)計(jì)點(diǎn)，即根據(jù)總布置要求確定一個(gè)座椅調(diào)至最后、最下位置時(shí)的設(shè)計(jì)點(diǎn)，相對(duì)于三維坐標(biāo)系來(lái)確定[4]。理論上第95百分位人體的H點(diǎn)應(yīng)與R點(diǎn)一致。

1.2 座椅R點(diǎn)預(yù)測(cè)

1.2.1 兩種模型的建立

在MADYMO中建立座椅模型。首先，從有限元座椅模型(如圖2)中提取節(jié)點(diǎn)和單元并導(dǎo)入MADYMO中，建立座椅模型。

圖2 有限元座椅模型

其次，從MADYMO中選取95百分位facet人體有限元模型和3-DH裝置，分別導(dǎo)入到座椅模型中，并調(diào)整人體模型的初始位置和坐姿，定義其與座椅的接觸，從而完成兩種模型的建立。

1.2.2 座椅泡沫剛度特性材料參數(shù)

本文采用改變泡沫剛度比例系數(shù)來(lái)分析人體與座椅之間體壓分布的舒適性，所取泡沫剛度特性曲線(應(yīng)力-應(yīng)變曲線)如圖3所示。

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2.3 95百分位模型預(yù)測(cè)結(jié)果

95百分位人體模型在重力加速度作用下穩(wěn)定落座后，其人體H點(diǎn)就是座椅R點(diǎn)。建立的95百分位模型如圖4所示。經(jīng)MADYMO軟件仿真計(jì)算后，得出其R點(diǎn)預(yù)測(cè)坐標(biāo)，如圖5所示。

圖4 95百分位模型

圖5 95百分位的R點(diǎn)Z軸坐標(biāo)

由于人體模型與座椅模型位于同一坐標(biāo)系,且人體模型只在Z方向上自由下落，因此在水平方向上坐標(biāo)基本不變，即X、Y坐標(biāo)值基本不變，重點(diǎn)分析Z軸坐標(biāo)。

從圖5中可以看到：Z軸坐標(biāo)值開始變化很大，先劇烈下降，后回升一段距離，最后穩(wěn)定；經(jīng)過(guò)落座穩(wěn)定后，趨于穩(wěn)定值0.541 m；在450 ms左右，人體模型與座椅達(dá)到平衡。由此預(yù)測(cè)出座椅R點(diǎn)。

1.2.4 3-DH裝置模型預(yù)測(cè)結(jié)果

建立的3-DH裝置模型如圖6所示。經(jīng)MADYMO仿真計(jì)算，得出的座椅R點(diǎn)坐標(biāo)，如圖7所示。

圖6 3-DH裝置模型

圖7 3-DH裝置的R點(diǎn)Z軸坐標(biāo)

從圖7可以看出：Z軸坐標(biāo)值開始變化很大，先劇烈下降，后逐漸回升，到達(dá)平穩(wěn)值0.543 m時(shí)又稍稍下降，最后達(dá)到穩(wěn)定值0.540 m。

對(duì)比圖5和圖7可看出：兩者Z軸坐標(biāo)值變化趨勢(shì)相同。區(qū)別是：圖5中Z軸坐標(biāo)變化幅度更大，且圖5中坐標(biāo)最小值為0.518 m，而圖7中Z軸坐標(biāo)最小值是0.520 m。另外，圖5中坐標(biāo)是平穩(wěn)回升，最終穩(wěn)定值為0.541 m，而圖7中坐標(biāo)是先回升后又小幅度下降，最終穩(wěn)定值為0.540 m。兩者相差0.001 m。對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 95百分位模型與3-DH裝置模型Z軸坐標(biāo)值對(duì)比結(jié)果 m

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)對(duì)比可知： 95百分位模型預(yù)測(cè)結(jié)果略大于3-DH裝置模型。

2 體壓分布研究

體壓分布是指人在穩(wěn)定落座后，體重作用在坐墊上或者靠背上的壓力分布[2-5]。體壓分布是座椅乘坐舒適性研究的主要衡量準(zhǔn)則，對(duì)座椅整體設(shè)計(jì)也具有指導(dǎo)意義[10]。

建模方法：調(diào)用MADYMO中各不同百分位的facet人體模型加入到座椅模型中，定義人體和座椅的初始位置。分別建立出95百分位、50百分位和5百分位的人體座椅模型，如圖4、8、9所示。

圖8 50百分位模型

圖9 5百分位模型

對(duì)座椅的坐墊泡沫剛度特性曲線進(jìn)行放大或縮小，采取的比例因子是0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3。對(duì)各個(gè)不同比例因子下的模型進(jìn)行仿真計(jì)算，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到各不同百分位模型在最舒適體壓分布下的泡沫剛度特性曲線。

基于理想坐墊體壓分布(如圖10所示)可知舒適的體壓分布具有如下幾個(gè)特征：① 人體的大部分質(zhì)量應(yīng)以較大的接觸面積和較小的單位壓力分布在座椅表面；② 壓力分布從小到大，無(wú)明顯突變；③ 壓力分布左右對(duì)稱[2]。

圖10 理想坐墊體壓分布

為了評(píng)價(jià)體壓分布的舒適性，本文依據(jù)舒適體壓分布特征、最大壓力Pm和對(duì)稱度誤差這3三個(gè)指標(biāo)將舒適度分為4個(gè)等級(jí)：A為最舒適；B為比較舒適；C為基本舒適；D為不太舒適。

2.1 95百分位理想體壓分布研究

對(duì)95百分位模型進(jìn)行變剛度特性分析，經(jīng)過(guò)7次仿真計(jì)算，得到7個(gè)不同的體壓分布圖(圖11)和體壓分布表(表2)。

從圖11和表2中可以看出：隨著剛度的逐漸變大，人體的體壓分布發(fā)生著不同的變化，但是體壓并沒(méi)有伴隨剛度的遞增成正比例遞增，而是呈現(xiàn)出先很快減小再增大最后逐漸減小的變化趨勢(shì)。觀察體壓分布表可以看出：當(dāng)剛度比例因子為0.8時(shí)，壓力分布值最小，舒適度等級(jí)最高，最符合理想體壓分布，所以座椅泡沫剛度特性曲線在剛度縮小到原來(lái)的0.8時(shí)可以得到95百分位模型人體最理想的體壓分布。

2.2 50百分位理想體壓分布研究

同樣地，對(duì)50百分位模型進(jìn)行變剛度特性分析，經(jīng)過(guò)7次仿真計(jì)算，得到7個(gè)不同的體壓分布圖和體壓分布表，如圖12和表3所示。

從圖12和表3可以看出:隨著剛度逐漸增大，人體的體壓分布圖也在發(fā)生著變化，體壓伴隨剛度的變大逐漸變大，在比例因子為0.9到1.0的剛度變化范圍內(nèi)壓力分布變化不大，基本穩(wěn)定；在此范圍外，壓力變化較大，舒適度區(qū)分較明顯。當(dāng)比例因子為0.9時(shí)，壓力分布均勻?qū)ΨQ，乘坐最舒適，是50百分位模型的最理想體壓分布。

2.3 5百分位理想體壓分布研究

同樣地，對(duì)5百分位模型進(jìn)行變剛度特性分析，經(jīng)過(guò)7次仿真計(jì)算，得到7個(gè)不同的體壓分布圖和體壓分布表，如圖13和表4所示。

圖11 95百分位模型不同泡沫剛度下體壓分布

圖12 50百分位不同泡沫剛度下體壓分布

圖13 5百分位不同泡沫剛度下體壓分布

表2 95百分位體壓分布

剛度比例因子最大壓力Pm/kPa左側(cè)大腿壓力/kPa右側(cè)大腿壓力/kPa對(duì)稱度誤差百分比/%舒適度等級(jí)0.731.313.9117.9320C0.830.216.7816.780A0.931.217.3317.330B1.032.314.3621.5333.3C1.132.710.9014.5324.9D1.232.610.8714.4924.8D1.332.410.8014.4025.0D

表3 50百分位模型體壓分布

剛度比例因子最大壓力Pm/kPa左側(cè)大腿壓力/kPa右側(cè)大腿壓力/kPa對(duì)稱度誤差百分比/%舒適度等級(jí)0.723.212.8015.4716.7D0.824.313.5016.2016.6C0.925.116.7316.730A1.024.916.6016.600B1.125.614.2217.0716.7D1.226.914.9417.9316.6C1.330.613.5610.1725.0D

表4 5百分位體壓分布

從圖13和表4中可以看出：體壓伴隨剛度的遞增呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)，在剛度比例因子為0.8時(shí)，壓力分布最理想，壓力值最小，舒適度等級(jí)最高；之后壓力值逐漸變大。因此，當(dāng)剛度縮小到0.8倍原剛度時(shí)得到5百分位模型的最理想體壓分布。

綜合分析，此座椅泡沫剛度縮小到0.8倍原剛度時(shí)，最適合95百分位和5百分位的人體乘坐；縮小到0.9倍原剛度時(shí)，最適合50百分位的人體乘坐。

3 結(jié)論

在MADYMO軟件中建立95百分位模型和3-DH裝置模型，分別仿真計(jì)算出座椅R點(diǎn)。對(duì)兩種R點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明：兩者預(yù)測(cè)結(jié)果僅相差0.001 m，說(shuō)明本文預(yù)測(cè)方法較準(zhǔn)確，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，也可用于逆向分析。

本文的創(chuàng)新之處是采用facet有限元人體模型，與以往研究中使用的多剛體人體模型相比，此模型的各個(gè)部分尺寸和質(zhì)量與真人相近，仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確。

經(jīng)過(guò)21次改變泡沫剛度的仿真計(jì)算，并依據(jù)舒適體壓分布特征、最大壓力和對(duì)稱度誤差這3個(gè)指標(biāo)來(lái)綜合評(píng)價(jià)體壓分布的舒適性。最終得出如下結(jié)論：此座椅的泡沫剛度縮小至原剛度0.8倍時(shí)，最適合95百分位和5百分位的人體乘坐；縮小至原剛度0.9倍時(shí)，最適合50百分位的人體乘坐。據(jù)此，可知當(dāng)此座椅泡沫剛度在0.8～0.9倍區(qū)間內(nèi)，可使各不同身材的乘員乘坐最舒適。制造廠可以基于此結(jié)論，對(duì)座椅剛度進(jìn)行改變，滿足不同百分位人體乘坐舒適性，降低設(shè)計(jì)成本和時(shí)間，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。

本研究還存在以下方面的局限性：由于在真實(shí)環(huán)境中人體調(diào)查樣本的多樣性(人體體型等)，對(duì)于真實(shí)人體的調(diào)查和試驗(yàn)存在相應(yīng)的困難。本論文僅依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的平均身高及身材的人體模型進(jìn)行研究，盡可能地模擬大多數(shù)的人體，因此相應(yīng)的真實(shí)試驗(yàn)的解決方法及試驗(yàn)步驟還需要進(jìn)一步研究。

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(責(zé)任編輯劉 舸)

ResearchonRPointForecastandBodyPressureDistributionofCarSeat

HE Juan, ZHANG Xuerong

(School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University， Zhenjiang 212013, China)

Taking a car seat as the research object, the R point is predicted and body pressure distribution is evaluated in this paper based on MADYMO software. By consulting the R point measurement of the national standard GB11551—2003RidePositionHPointsandtheActualAngleoftheBackAngleoftheProgram, the R point of the prediction method is obtained based on this standard. Based on the ideal body pressure distribution map, the comfort of body pressure distribution is evaluated by using the characteristics of the ideal body pressure distribution, the maximum pressure Pm and the symmetry. The calculation results show that, the results of the two prediction only differ by 0.001, and R point prediction method is accurate and has the value of practical application; the seat cushion foam stiffness in the range of 0.8～0.9 times, makes the best comfort of different shape of occupants.

R point; body pressure distribution; ride comfort

2016-10-23

江蘇省科技廳企業(yè)研究院項(xiàng)目;博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目

何娟，女，碩士研究生，主要從事汽車乘坐舒適性研究，E-mail:ab98979695@163.com。

何娟，張學(xué)榮.轎車座椅R點(diǎn)預(yù)測(cè)及體壓分布研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(10):43-49.

formatHE Juan, ZHANG Xuerong.Research on R Point Forecast and Body Pressure Distribution of Car Seat[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):43-49.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.007

U463

A

1674-8425(2017)10-0043-07