基于體壓分布仿真的駕駛員座椅舒適性設(shè)計(jì)研究

王廣彬,任金東,劉洪浩

(吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130022)

前言

座椅舒適性是消費(fèi)者考慮的一個(gè)重要因素。人椅界面間的體壓分布是度量座椅靜態(tài)舒適性的重要指標(biāo)[1-7]。研究表明，體壓分布與座椅舒適性明顯相關(guān)，可綜合人椅間平均壓強(qiáng)、峰值壓強(qiáng)和壓強(qiáng)梯度等來評(píng)價(jià)座椅舒適性[8-11]。體壓分布通常通過實(shí)驗(yàn)獲取，但存在精度低、可重復(fù)性差、影響因素多且復(fù)雜、很難得到人體組織應(yīng)力、人椅界面間剪力和關(guān)節(jié)肌肉負(fù)荷等信息，以及容易受主觀因素影響等缺點(diǎn)。相比之下，仿真方法不僅能克服實(shí)驗(yàn)的不足，還具有成本低、周期短、不受主觀因素影響和能在設(shè)計(jì)早期應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)于體壓分布仿真，國(guó)內(nèi)外學(xué)者建立了人體和座椅有限元模型來進(jìn)行研究[12-16]；除了研究舒適性評(píng)價(jià)和座椅設(shè)計(jì)因素之外[17-18]，還進(jìn)行人體生物力學(xué)建模和體壓分布的準(zhǔn)確模擬[12]。但絕大多數(shù)研究還僅限于仿真人椅之間的相互作用；所建立的人體模型主要只針對(duì)一種身材(如50百分位身高)，其原因是建模和仿真工作量非常大且復(fù)雜。對(duì)于確定的座椅和駕駛室布置參數(shù)，不同身材駕駛員由于坐姿和人體尺度的差異，使體壓分布存在差別。因此，如何綜合不同身材駕駛員體壓分布對(duì)座椅舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化很值得研究。同時(shí)，真實(shí)的姿勢(shì)是準(zhǔn)確模擬體壓分布的關(guān)鍵，也是目前許多研究欠缺之處。在輔助設(shè)計(jì)方面，少數(shù)學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)研究不同形狀、不同座椅參數(shù)(靠背和坐墊傾角、腰部支撐量等)和不同發(fā)泡材料對(duì)于體壓分布的影響，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)[12，18-19]；乃至研究面向良好的體壓分布進(jìn)行座椅設(shè)計(jì)的方法[20]。但是針對(duì)如何改進(jìn)設(shè)計(jì)和輔助設(shè)計(jì)還須進(jìn)行更深入的研究。

本文中建立了 H點(diǎn)裝置(H point machine，HPM)的有限元模型，用于通過仿真準(zhǔn)確測(cè)定座椅的布置參數(shù)；建立了人體和參數(shù)化座椅有限元模型，對(duì)人體入座過程進(jìn)行仿真，并分別對(duì)座椅設(shè)計(jì)時(shí)影響體壓分布的因素進(jìn)行了仿真研究，得出了可用于指導(dǎo)座椅設(shè)計(jì)的規(guī)律。

1 H點(diǎn)裝置仿真

1.1 HPM建模

1.1.1 幾何建模

通過測(cè)繪HPM實(shí)物建立幾何模型；HPM各組成部分幾何模型分別建立并組裝到一起，通過參數(shù)控制 HPM的姿勢(shì)，參見圖 1。運(yùn)用 DMU(digital mockup)模塊驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，尤其是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。幾何模型的主要尺寸驗(yàn)證如圖2所示。

軀干部機(jī)構(gòu)主要驗(yàn)證腰部支撐量(L81)，參見圖3。

1.1.2 有限元建模

基于幾何模型并考慮必要的幾何清理來建立有限元模型。HPM有限元模型如圖4所示。

1.2 模型的驗(yàn)證

圖1 HPM幾何模型

圖2 主要尺寸的驗(yàn)證

圖3 軀干部機(jī)構(gòu)和腰部支撐量的驗(yàn)證

圖4 HPM有限元模型

表1為校準(zhǔn)后的HPM模型各部分質(zhì)量，與SAE標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比可知，HPM仿真模型的各部分質(zhì)量均在允許誤差范圍之內(nèi)。

表1 HPM仿真模型的各部分測(cè)量值

本文中利用HPM仿真方法測(cè)量駕駛室和座椅布置參數(shù)。為驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，制定了驗(yàn)證方案，見表2，共25組實(shí)驗(yàn)，對(duì)比測(cè)量和仿真結(jié)果。座椅設(shè)計(jì)坐墊角和靠背角分別為14°和22°，仿真結(jié)果分別為13.8°和21.8°。圖5為坐墊角為14°時(shí)改變靠背角和靠背角19°時(shí)改變坐墊角的結(jié)果?？梢?，仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果非常接近。

表2 HPM參數(shù)驗(yàn)證方案

2 座椅體壓分布仿真

2.1 人體有限元建模

以美國(guó)ANSUR(anthropometry survey of US army)人體數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)源，利用人體切片[21]建立幾何模型，并通過縮放滿足人體尺寸要求。再根據(jù)駕駛室布置參數(shù)(表3)，使用CPM(cascade prediction model)模型[22]計(jì)算和設(shè)置人體姿勢(shì)，如圖6所示。

圖5 仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果的比較

表3 駕駛室布置參數(shù)

圖6 人體幾何模型

網(wǎng)格尺寸對(duì)仿真精度和收斂速度有重要影響。使用10mm大小的四面體單元對(duì)軟組織和骨骼建模；使用10mm大小的殼單元對(duì)皮膚建模，厚度為1mm。單元信息見表4，人體有限元模型如圖 7所示。

表4 網(wǎng)格信息

圖7 人體有限元模型

人體骨骼、皮膚采用各向同性的線彈性材料描述，利用彈性模量和泊松比控制其力學(xué)特性[23-24]，具體參數(shù)如表5所示。

表5 皮膚和骨骼材料屬性

人體軟組織使用Mooney-Rivlin形式的各向同性超彈性材料進(jìn)行描述，其應(yīng)變能函數(shù)為

式中：U為應(yīng)變能；C10和C01為剪切模量；D1為體積模量；I1和I2為Cauchy-Green等容形式張量的第一和第二不變量；Jel為變形前后的體積比。參數(shù)C10，C01和 D1取值為 1.65kPa，3.35kPa 和 3.653。

2.2 座椅有限元建模

建立參數(shù)化的座椅幾何模型，包括坐墊、靠背、頭枕和腰托4部分，通過坐墊角、靠背角、腰托支撐量和支撐位置4個(gè)參數(shù)控制，見圖8(a)。在此基礎(chǔ)上建立有限元模型，用10mm大小的四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，如圖8(b)所示。

座椅發(fā)泡材料通常為聚氨酯泡沫，采用超彈性泡沫材料描述其力學(xué)特性[25]，其材料特性可通過單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和剪切實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來擬合[26]，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9所示。設(shè)置泊松比為0。

圖8 參數(shù)化座椅模型

圖9 座椅發(fā)泡材料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

2.3 體壓分布仿真

人體和座椅有限元模型組裝在一起，二者接觸面采用“罰函數(shù)”進(jìn)行控制，以防止相互穿透。摩擦因數(shù)設(shè)置為0.3，采用“surface-to-surface”的形式定義接觸。軟組織和骨骼間的接觸面通過Tie連接定義。約束座椅發(fā)泡背面單元和手部與腳部單元各6個(gè)自由度，并施加重力場(chǎng)。

為方便分析，在座椅上定義了局部坐標(biāo)系和關(guān)鍵截面，見圖10和表6，坐標(biāo)原點(diǎn)與H點(diǎn)重合。

圖10 局部坐標(biāo)系和關(guān)鍵截面

建立了5，50和95 3個(gè)百分位男性駕駛員人體模型，并進(jìn)行體壓分布仿真。圖11為斷面Ⅱ內(nèi)的人體軟組織應(yīng)力分布。圖12為座椅上的壓強(qiáng)分布云圖?？梢?，軟組織中最大應(yīng)力都出現(xiàn)在坐骨結(jié)節(jié)下方，說明坐骨結(jié)節(jié)處承受的壓強(qiáng)較大。坐墊上壓強(qiáng)以坐骨結(jié)節(jié)下方為中心向四周逐漸減小。從坐骨結(jié)節(jié)下方至大腿前下方，壓強(qiáng)也逐漸減小。靠背上最大壓強(qiáng)出現(xiàn)的位置因人而異，這是由于不同人體身材差異造成的。厚度建議為40mm左右，靠背其余部分厚度建議為30mm左右。

表6 4個(gè)關(guān)鍵截面的定義

圖11 人體軟組織應(yīng)力

圖12 座椅表面的壓強(qiáng)分布

圖13 不同海綿厚度座椅的壓強(qiáng)分布

圖14 座椅接觸面積和最大壓強(qiáng)隨厚度的變化趨勢(shì)

3 座椅設(shè)計(jì)因素對(duì)體壓分布的影響

3.1 發(fā)泡厚度的影響

坐墊和靠背海綿發(fā)泡厚度從20變到70mm，步長(zhǎng)10mm。限于篇幅，僅列出50百分位模型落座時(shí)的壓強(qiáng)分布(其他人的規(guī)律相同)，見圖13?？梢姡＞d發(fā)泡厚度的增加會(huì)增大人體與座椅的接觸面積，有利于減小最大壓強(qiáng)。圖14為各厚度時(shí)的接觸面積和最大壓強(qiáng)，同樣反映了上述規(guī)律。從圖15可見，軟組織最大應(yīng)力隨發(fā)泡厚度的增加明顯減小，大腿與坐墊前緣接觸區(qū)域的壓強(qiáng)和人體坐骨結(jié)節(jié)下方的軟組織應(yīng)力也明顯減小?？紤]到成本等原因，坐墊臀部下方的發(fā)泡厚度建議為60mm左右，大腿前下方發(fā)泡厚度建議為30mm左右；靠背腰托處發(fā)泡

圖15 軟組織最大應(yīng)力隨厚度的變化趨勢(shì)

3.2 腰托的影響

以座椅初始姿態(tài)下的腰部支撐位置為基礎(chǔ)進(jìn)行腰部支撐量仿真，其中座椅初始姿態(tài)下的腰部支撐量和支撐位置都為0。圖16為腰托突出量的示意圖。以此分析了腰托凸出量0～40mm(步長(zhǎng)10mm)時(shí)，腰托位置相對(duì)于初始位置從-20變化到20mm(步長(zhǎng)10mm，由初始位置沿靠背線向下為負(fù))時(shí)靠背的體壓分布。隨著腰部支撐量的增加靠背的接觸面積明顯減小，見圖17(b)；而最大壓強(qiáng)則增大，見圖17(d)；而坐墊接觸面積和最大壓強(qiáng)與腰部支撐量關(guān)系不大。肩胛骨處的最大壓強(qiáng)減小，而腰部最大壓強(qiáng)則增大。經(jīng)驗(yàn)表明，適當(dāng)提高腰部的最大壓強(qiáng)有利于提高舒適性和保持舒適的坐姿。

圖16 腰托突出量示意圖

圖17 接觸面積和最大壓強(qiáng)隨腰部支撐量的變化趨勢(shì)

由于身材尺寸的差異，不同駕駛員對(duì)腰部支撐量的需求不同。從仿真結(jié)果看，腰部支撐量為20mm左右時(shí)3位駕駛員腰部能得到較為合理的支撐。圖18為腰部支撐量為20mm時(shí)人體與座椅的接觸面積和峰值壓強(qiáng)隨腰部支撐位置變化的趨勢(shì)?？梢姡佑|面積基本不受腰部支撐位置變化的影響，而靠背峰值壓強(qiáng)對(duì)于不同駕駛員呈現(xiàn)不規(guī)律的變化。

圖18 接觸面積和最大壓強(qiáng)隨支撐位置的變化趨勢(shì)

3.3 坐墊角和靠背角的影響

圖19 為單獨(dú)改變靠背角(坐墊角為15°，靠背角分別取20°，23°和 26°)時(shí)體壓分布的變化，每次坐墊角或靠背角的仿真調(diào)整都是通過HPM測(cè)量實(shí)現(xiàn)的。圖20給出了斷面Ⅲ和斷面Ⅰ處體壓分布隨靠背角增加的變化趨勢(shì)。由圖可見，隨著靠背角的增加，靠背腰部附近壓強(qiáng)增加，且越靠近下方增加幅度越大；上背部的最大壓強(qiáng)峰值降低。對(duì)于坐墊，雖然壓強(qiáng)水平在各處沒有明顯變化，但峰值位置略向后方移動(dòng)。

圖19 不同靠背角時(shí)的壓強(qiáng)分布

圖20 斷面Ⅲ和斷面Ⅰ處的壓強(qiáng)分布

圖21 為單獨(dú)改變坐墊角(靠背角為23°，坐墊角分別取12°，15°和18°)時(shí)體壓分布的變化。圖22給出了斷面Ⅲ和斷面Ⅰ處體壓分布隨坐墊角增加的變化趨勢(shì)。由圖可見，坐墊角對(duì)靠背體壓分布幾乎沒影響；而坐墊角增大時(shí)，坐墊上大腿前下方的壓強(qiáng)明顯增加。

圖21 不同坐墊角時(shí)的壓強(qiáng)分布

圖22 斷面Ⅲ和斷面Ⅰ處的壓強(qiáng)分布

結(jié)果表明，靠背角過小不能有效地支撐人體腰部；靠背角過大時(shí)雖然能充分支撐人體，但易使人體過度后傾，容易造成頸部緊張。坐墊角過大會(huì)增加大腿下方與坐墊前緣接觸處的壓強(qiáng)，易造成局部血液不暢；坐墊角過小則易導(dǎo)致臀部下方壓強(qiáng)過大，產(chǎn)生不舒適的感覺。不同身材駕駛員對(duì)座椅靠背和坐墊角的需求不同，二者必須相互協(xié)調(diào)才能提高座椅舒適性。

4 結(jié)論

(1)建立了H點(diǎn)裝置有限元模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)座椅坐墊角、靠背角、H點(diǎn)位置和腰部支撐量的仿真測(cè)量方法。建立了人體和座椅有限元模型，對(duì)人椅間體壓分布進(jìn)行了仿真研究。

(2)研究了座椅海綿發(fā)泡厚度、腰部支撐量與支撐位置、坐墊角和靠背角對(duì)體壓分布的影響。結(jié)果表明，適當(dāng)增加發(fā)泡厚度有利于降低人椅接觸面最大壓強(qiáng)，但要綜合考慮成本等因素確定。適當(dāng)增加腰部支撐能改善舒適性，支撐量為20mm時(shí)3位駕駛員舒適性最好。支撐位置應(yīng)兼顧不同身材駕駛員。坐墊角和靠背角的最佳組合，取決于不同身材駕駛員對(duì)這兩個(gè)角度的要求。

(3)本文中的仿真方法已經(jīng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[12]，非常適用于在座椅設(shè)計(jì)早期對(duì)駕駛員體壓分布進(jìn)行評(píng)估，和面向理想的體壓分布來確定座椅的設(shè)計(jì)參數(shù)。但由于目前的仿真還存在一定的簡(jiǎn)化，今后將考慮更多的實(shí)際因素(座椅面料、發(fā)泡支撐彈簧和著裝因素等)，使仿真更接近實(shí)際情況，確保得出的規(guī)律具有更實(shí)用的價(jià)值。