車用座椅發(fā)泡密度對乘坐舒適性的影響分析

高振海 李明月 高菲 宋學(xué)偉 梅興泰 楊楓 張皓

摘 ? 要：為量化座椅坐墊發(fā)泡密度對車輛駕乘人員乘坐舒適性的影響，建立了中國95百分位體征的人體有限元模型和不同發(fā)泡密度的駕乘人員-座椅模型，進(jìn)行駕乘人員與不同發(fā)泡密度座椅之間的整體體壓分布及其軀體各部位體壓分布的仿真分析. 仿真結(jié)果表明：本文更精確測定了不同發(fā)泡密度座椅與駕乘人員之間的體壓分布和剪切力的變化規(guī)律，縮短了座椅研發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)了在座椅試制前的概念設(shè)計(jì)階段評定發(fā)泡密度對乘坐舒適性影響的定量化精細(xì)化分析.

關(guān)鍵詞：車用座椅;發(fā)泡;體壓分布;接觸區(qū)域;乘坐舒適性

中圖分類號：U463.83 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Analysis on Effect of Foaming Density of Automotive Seats on Sitting Comfort

GAO Zhenhai1，LI Mingyue1，GAO Fei1？覮，SONG Xuewei1，MEI Xingtai2，YANG Feng2，ZHANG hao3

（1. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University，Changchun 130022，China;

2. GAC Automotive Engineering Institute，Guangzhou 511434，China;

3. Automotive Engineering Institute，Changchun Vocational Institute of Technology，Changchun 130033，China）

Abstract：In order to quantify the effects of different seat cushion density on driver/passengers' sitting comfort， a 95th percentile human-body model that meets the Chinese physical structure and a driver/passenger-automotive seat model of different density were built，which simulated the driver/passengers' general body pressure distribution and body-parts' pressure distribution with different foaming density of automotive seats. The simulation results showed that this paper more precisely determined the variation rule of pressure distribution and shear force between seats with different foaming density and occupants， shortened the seats' research period， then quantitatively and delicately analyzed the impact of different seat cushion density on sitting comfort during the concept design stage before commissioning.

Key words：automotive seat;foaming;pressure distribution;contact area;sitting comfort

座椅作為汽車人機(jī)交互的主要界面，骨架結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、振動傳遞性能[1-2]等對汽車整體的乘坐舒適性產(chǎn)生重要作用，是汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心技術(shù).

前期研究主要關(guān)注于座椅坐盆結(jié)構(gòu)以及坐墊材質(zhì)特性對座椅舒適性的影響[3-5]，大多采用主觀評價(jià)[6-9]、客觀評價(jià)[10-13]以及主客觀評價(jià)相結(jié)合[14-15]的方法進(jìn)行分析，對發(fā)泡材料研究甚少. 現(xiàn)有的《汽車座椅手冊》僅僅給出了一個發(fā)泡密度范圍，設(shè)計(jì)人員大多依據(jù)主觀評價(jià)進(jìn)行座椅發(fā)泡的選取，并對發(fā)泡的靜態(tài)和動態(tài)舒適性進(jìn)行測定.

隨著人機(jī)工程學(xué)研究的深入，發(fā)泡作為座椅重要的組成部分，密度值過高或者過低均會使座椅產(chǎn)生不合理的變形造成體壓分布不合理，使血液循環(huán)受阻，肌肉產(chǎn)生疲勞，降低乘坐舒適性. 為此，研究人員開始關(guān)注發(fā)泡材料密度對乘坐舒適性的影響. Lee等[2]研究了發(fā)泡材料的硬度以及厚度與座椅舒適性的關(guān)系;Andreoni等[5]對車輛駕乘人員乘坐于不同形狀和剛度發(fā)泡座椅上的壓力和舒適性進(jìn)行了測試;金曉萍等[16]從座椅泡沫坐墊的物理特性指標(biāo)和體壓分布指標(biāo)對坐墊的舒適性進(jìn)行了研究.

現(xiàn)有研究多是針對試制后的實(shí)椅，更換坐墊上不同密度的發(fā)泡材料，并由駕乘人員進(jìn)行主觀評價(jià)打分與體壓分布實(shí)測. 研究存在如下問題：1）實(shí)椅試制周期長，研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)高;2）測試過程中受測人員的坐姿、座椅靠背和坐墊傾角及結(jié)構(gòu)等特性的微小變動均會對測試結(jié)果產(chǎn)生重要影響，實(shí)測實(shí)驗(yàn)重復(fù)性差，無法精確測定人體與座椅界面間的壓力;3）現(xiàn)有的體壓測試系統(tǒng)僅僅提供人體與座椅接觸界面間的正應(yīng)力，對人體與座椅界面間相互作用有重要影響的剪切力無法測量.

針對以上問題，本文首先對駕乘人員坐姿下的人體骨肌力學(xué)機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)合人體生物力學(xué)仿真分析技術(shù)，建立了國內(nèi)某款車型的座椅有限元模型，并進(jìn)行不同發(fā)泡密度座椅下95百分位人體模型的體壓分布仿真，最終從坐墊的整體體壓分布、坐墊與人體各局部接觸區(qū)域間的體壓分布、車輛駕乘人員與座椅坐墊界面間相互作用的剪切力等角度進(jìn)行了座椅坐墊發(fā)泡密度對車輛駕乘人員乘坐舒適性影響的分析.

1 ? 坐姿下人體軀干力學(xué)機(jī)理分析

車輛駕乘人員乘坐在汽車座椅上時，人體頭部和軀干的負(fù)荷通過骶髂關(guān)節(jié)傳遞至骨盆，座椅坐墊承擔(dān)了人體約75%的重量. 因此，合理的體壓分布對座椅舒適性的影響至關(guān)重要.

圖1為車輛駕乘人員乘坐在座椅上時人體軀干的受力分析圖. 車輛駕乘人員乘坐在座椅上的受力可以分為靠背力Fb、上身重力Fg以及坐墊合力Ft. 在靜態(tài)平衡狀態(tài)下，座椅對坐骨結(jié)節(jié)施加力的作用線、重力作用線和靠背力作用線相交于P點(diǎn).

座椅的靠背力和坐墊合力為作用在車輛駕乘人員背部和臀部區(qū)域皮膚上的局部壓力和剪切力，該作用力轉(zhuǎn)化為對車輛駕乘人員背部和臀部的支撐力. 同時，靠背力增加了坐骨結(jié)節(jié)部位的水平力分量，進(jìn)而加大皮膚及皮下組織的剪切力.

研究表明：作用在車輛駕乘人員身體上的局部載荷致使肌肉軟組織受壓和變形，長時間受該載荷作用將阻礙血液循環(huán)，使組織的氧飽和度受限，出現(xiàn)局部缺血現(xiàn)象，產(chǎn)生一種新陳代謝物質(zhì)刺激神經(jīng)末梢，不利于人體肌肉組織的放松. 同時，車輛駕乘人員-座椅坐墊界面間的壓力分布過于集中，將加劇人體的壓迫感，使血管的滲透性增加，從而使神經(jīng)內(nèi)形成水腫. 水腫增加了神經(jīng)內(nèi)的液體壓力，造成對神經(jīng)內(nèi)毛細(xì)血管的血流損傷并危害神經(jīng)根的營養(yǎng)，使人體產(chǎn)生麻木、疼痛以及肌肉無力等癥狀. 大腿下側(cè)面處布置有大動脈以及神經(jīng)系統(tǒng)，不宜承受重壓. 剪切力的存在會大大降低人體可耐受的壓力，長時間受剪切力作用，將影響皮膚和組織的氧飽和度，致使酸性代謝產(chǎn)物堆積，細(xì)胞內(nèi)缺鉀，引起肌肉疼痛、疲勞甚至痙攣[17].

以上理論分析表明：一個舒適性高的座椅坐墊不僅需要合理的體壓分布，還要控制人體與坐墊接觸區(qū)域間的剪切力，增大血氧飽和度，提高座椅舒適性. 為此，本文在后續(xù)的仿真分析中將體壓分布與剪切力作為客觀指標(biāo)來評價(jià)座椅坐墊發(fā)泡密度對車輛駕乘人員乘坐舒適性的影響.

2 ? 車輛駕乘人員-座椅模型

針對國內(nèi)某款自主品牌乘用車座椅和中國人體基礎(chǔ)體征，本文建立了乘用車座椅模型和中國95百分位體征的假人模型，運(yùn)用PAM-Comfort有限元軟件，進(jìn)行中國95百分位體征的車輛駕乘人員不同發(fā)泡密度座椅下的體壓分布仿真分析.

座椅模型包括坐墊、靠背、頭枕和調(diào)節(jié)裝置，坐墊、靠背和頭枕分別由骨架、發(fā)泡、填料和蒙皮等部分組成，在CATIA三維軟件中建立座椅的各個構(gòu)件模型. 網(wǎng)格尺寸對非線性分析中的仿真精度和收斂速度具有重要影響，網(wǎng)格過疏會影響計(jì)算精確度，甚至得到錯誤解;網(wǎng)格過密會加大計(jì)算量，對計(jì)算機(jī)硬件要求較高，增加計(jì)算時間. 在綜合考慮計(jì)算精度和速度要求的前提下，本文運(yùn)用Hypermesh軟件完成座椅骨架、發(fā)泡、蒙皮和彈簧的網(wǎng)格劃分，座椅骨架網(wǎng)格模型采用殼單元劃分，單元的尺寸設(shè)定為5 mm;發(fā)泡選用尺寸為15 mm的四面體網(wǎng)格;蒙皮作為座椅生產(chǎn)過程中的最后一道工藝，為與座椅發(fā)泡緊密貼合，采用尺寸10 mm的膜單元;彈簧采用尺寸為7 mm的梁單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分. 座椅各構(gòu)件的網(wǎng)格劃分如表1所示.

在完成網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上，將座椅各構(gòu)件導(dǎo)入PAM-Comfort軟件中進(jìn)行材料屬性的設(shè)定，各構(gòu)件的材料屬性如表2所示. 根據(jù)汽車座椅各構(gòu)件應(yīng)用材料的材料屬性，選用101號材料模擬座椅骨架材料，該材料模型的密度為7.85 × 10-6 kg/mm3，楊氏模量與泊松比分別為210 GPa和0.3;發(fā)泡采用45號材料，該材料模型模擬靜態(tài)舒適性時可考慮泡沫應(yīng)力松弛的特性，并將實(shí)測各座椅發(fā)泡的應(yīng)力-應(yīng)變曲線導(dǎo)入發(fā)泡材料樣塊中;蒙皮設(shè)定為151號材料，運(yùn)用矢量方向進(jìn)行蒙皮纖維經(jīng)緯方向的設(shè)定，纖維1方向設(shè)為經(jīng)向，即蒙皮的主要受力方向，纖維2方向設(shè)為緯向，即蒙皮的次要受力方向，座椅靠背和坐墊蒙皮的厚度分別設(shè)為1.4 mm和1 mm;彈簧采用密度、楊氏模量與泊松比分別為7.85 kg/cm3、210 GPa和0.3的213號材料. 最后，將各構(gòu)件進(jìn)行組裝，生成的座椅模型如圖2所示.

圖3所示的人體模型是以GB 10000—88《中國成年人人體尺寸》中的人體數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的. 實(shí)際構(gòu)建過程是基于HPM假人模型，通過等比例縮放的方式，將人體背部、臀部以及腿部的尺寸調(diào)節(jié)至GB 10000—88《中國成年人人體尺寸》中的95百分位人體尺寸.

在合理裝配座椅和人體模型后，進(jìn)行邊界條件的設(shè)置. 人體與座椅的接觸界面主要為靠背和坐墊，結(jié)合座椅的實(shí)際乘坐狀況，進(jìn)行95百分位的假人與座椅模型之間約束的定義. 所施加的邊界條件如表3所示.

表3所示的剛度比是座椅坐墊和靠背與駕乘人員之間的接觸剛度比. 具體是通過座椅坐墊和靠背的壓縮試驗(yàn)，輸出接觸剛度曲線，進(jìn)而測得座椅坐墊和靠背假人之間的剛度比. 摩擦因數(shù)選用的是靜態(tài)摩擦因數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)的測試結(jié)果設(shè)定為0.22. 設(shè)定假人臀部和背部為主接觸面，靠背蒙皮和坐墊蒙皮分別為從接觸面，完成假人與座椅模型之間的約束.

組裝、定位與設(shè)置完畢的車輛駕乘人員-座椅模型如圖3所示. 為降低椎間盤內(nèi)壓，防止人體向前滑動，參照SAE標(biāo)準(zhǔn)，將座椅靠背角和坐墊角分別調(diào)節(jié)至從鉛垂面向后傾斜25°和從水平面向后傾斜12°. 將仿真工況中的仿真時間設(shè)為2 000 ms，仿真步長設(shè)置為100 ms，運(yùn)行PAM-Comfort軟件進(jìn)行中國95百分位體征的車輛駕乘人員不同發(fā)泡密度座椅下的體壓分布仿真分析.

3 ? 仿真結(jié)果分析

為了合理測定座椅坐墊發(fā)泡密度對駕乘人員乘坐舒適性的影響，本文在對國內(nèi)若干款車用座椅發(fā)泡密度調(diào)研的基礎(chǔ)上，參照《汽車座椅手冊》中的發(fā)泡密度范圍，具體如表4所示，進(jìn)行各座椅發(fā)泡參數(shù)的設(shè)置.

以57 kg/m3座椅發(fā)泡參數(shù)的設(shè)置為例，首先，運(yùn)用DW-200試驗(yàn)機(jī)對各密度下的發(fā)泡進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，壓縮速率為4 mm/min，至發(fā)泡發(fā)生50%應(yīng)變時，試驗(yàn)結(jié)束. 然后，輸出力-位移的變化曲線，并換算成應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示. 最后，將圖4所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線導(dǎo)入仿真軟件泡沫材料樣塊中，并輸入發(fā)泡密度57 kg/m3. 與此類似進(jìn)行密度分別為47、52、62和67 kg/m3各座椅發(fā)泡參數(shù)的設(shè)置.

1）發(fā)泡密度影響駕乘人員與座椅坐墊之間的整體體壓和剪切力的分布. 當(dāng)車輛駕乘人員乘坐在發(fā)泡密度為57 kg/m3的座椅上時具有最大的接觸面積，坐墊承載的壓力得以分散，表面張力減小，平均接觸壓力、最大壓力和剪切力最低.

2）不同發(fā)泡密度的座椅對人體各部位的壓力刺激存在差異. 大腿中部和大腿前部乘坐在發(fā)泡密度較小的57 kg/m3的座椅上時受到的壓力刺激作用相對較弱，臀部區(qū)域乘坐在發(fā)泡密度較大的67 kg/m3的座椅上時受到的壓力刺激作用相對較小.

3）通過對駕乘人員的整體體壓分布、剪切力與其軀體各部位局部壓力分布的對比分析表明：在兼顧座椅整體舒適性的同時，為有效提高人體局部的舒適感，可通過將人體局部對應(yīng)的座椅坐墊發(fā)泡密度優(yōu)化配置進(jìn)行發(fā)泡密度分區(qū)設(shè)計(jì)，使人體質(zhì)量以較大的支撐面積、較小的整體和合理的局部壓力分布在坐墊上.

后續(xù)研究中將開展發(fā)泡密度分區(qū)座椅的設(shè)計(jì)與試制開發(fā)，并進(jìn)一步探索開展綜合考慮發(fā)泡材料、座椅坐墊骨架、蒙皮及適應(yīng)低頻振動等因素的車用座椅舒適性一體化設(shè)計(jì)方法.

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