基于Ansys的飛行員座椅坐墊舒適性仿真

李先學，丁立*，王興偉，魏仕華，周前祥，呼慧敏

(1.北京航空航天大學 生物與醫學工程學院，北京100191;2.中國人民解放軍 空軍航空醫學研究所，北京100036;3.泰州職業技術學院 機電技術學院，泰州225300;4.中國標準化研究院，北京100088)

民航客機飛行時遭遇湍流，會在瞬間被氣流拋起、摔落，該過程中過載能達到 2.5g以上［1］;而戰斗機在執行特殊任務時會產生高達9g的豎直方向過載，這會對飛行員產生很嚴重的損害，研究顯示，殲擊機飛行員腰腿痛的發生率為31.5%，其中最常見的是腰肌勞損及腰椎間盤突出癥［2］.座椅良好的舒適性能有利于保護飛行員減少損傷.長期以來，研究人員對座椅的舒適性進行了很多理論與實驗研究［3-9］，發現人椅界面的應力分布是個很重要的指標，并提出了滿足舒適性體壓分布的一般準則［10-12］.

鑒于通過實驗方法來評價座椅的舒適性費時、費力，利用有限元模型來評價座椅舒適性的方法得到了較快的發展［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，計算人與座椅接觸面的應力分布，通過分析應力分布以及應力大小來評價座椅的舒適性.不少文獻利用有限元模型研究座椅的舒適性，但基本都是針對汽車座椅以及辦公座椅來進行，專門針對飛機座椅尤其是過載下的舒適性仿真未見報道.

本文針對飛機座椅，建立了人-座椅有限元模型，對飛機座椅的力學舒適性進行仿真，與實驗數據進行對比驗證了模型的有效性，并研究了不同過載下的應力分布情況，為座椅的舒適性設計提供參考依據.

1 考慮骨盆的人-坐墊模型

本文應用Mimics和Ansys軟件，基于CT數據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中的計算量，在原有的骨盆三維模型(基于骨盆CT圖像數據處理得到，包含37 218個三角面片)基礎上，通過Mimics中有限元處理模塊Remesh，對其進行優化處理，優化后的骨盆三維模型三角面片數量為原來的20%，為6096個，可大大減少模型求解的計算量.

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

1.2 臀部-大腿的建模

參照我國飛行員的標準尺寸，對一名男性志愿者坐姿下的人體外形進行三維掃描，得到人體三維點云數據.提取關鍵尺寸值，如臀寬、大腿長、大腿厚等，根據這些數據在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力分布，建立了一個矩形坐墊，坐墊尺寸為500 mm×400 mm×40 mm.

1.4 材料參數

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 約束關系

骨盆與軟組織以及軟組織與坐墊之間均采用了布爾運算的粘結操作，保證邊界共用節點，以便實現應力的傳遞.坐墊下表面約束所有的自由度為0.

1.6 有限元網格劃分

本文中對骨盆、臀部-大腿軟組織以及坐墊均采用10節點四面體Solid92單元進行有限元網格化分.劃分后的骨盆有限元模型包含34 438個節點，21 939個單元，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 坐姿下應力分布有限元計算

2.1 施加載荷

通過在脊柱以及大腿上表面施加不同的壓力來模擬軀干重力以及垂直方向的過載.鑒于戰斗機最大過載不超過9g，且大部分時間處于低過載狀態，本文對如表1的6種過載進行了仿真計算.

表1 所施加載荷及部位Table1 Loads and locations

2.2 仿真計算

首先進行1g環境下的有限元仿真，將計算得到的坐應力分布與實驗獲得的應力分布進行比較用于驗證模型的有效性，然后再分別進行表1中其他5種過載加速度下的仿真計算.

3 模型驗證

為了驗證模型的有效性，將人-坐墊接觸面的仿真數據與實驗中測得的應力分布進行比較.如果仿真與實驗的應力分布以及應力值大小相對應，則認為建立的仿真模型有效.

3.1 坐應力實驗

本文采用Pliance-X壓力坐墊對坐姿下人-坐墊接觸面坐應力進行測量.Pliance-X壓力傳感器排列方式為16×16共計256個傳感器，可以較為準確地測量人-坐墊坐應力分布.

實驗中，受試者上身直立端坐在坐墊上，待壓力測量數據穩定后進行記錄，記錄20 s.仿真計算中坐墊的物理參數與實驗中實際坐墊相同.施加在臀部模型上的應力也是根據受試者實際體重換算而來.

3.2 應力分布對比

圖2為仿真計算和實驗應力云圖，可以發現兩者坐應力分布情況基本相同，即在坐骨結節部位出現應力集中現象，并以此為中心向四周逐漸降低.

3.3 坐骨結節連線上應力分布

圖3顯示了兩個坐骨結節連線上的應力分布.仿真計算中坐骨結節處最大應力為44 kPa，實驗中坐骨結節處最大應力為50 kPa，兩者基本相同.仿真計算中平均坐應力為16.24 kPa，實驗中坐應力為15.12 kPa，兩者也基本相同.在坐應力的變化趨勢方面，仿真計算和實驗結果，都是在坐骨結節處坐應力最大，并以坐骨結節為中心往兩邊逐漸減小.由此可見，仿真計算和實驗得到的應力分布具有很大的一致性.

圖2 坐應力分布的仿真與實驗結果對比Fig.2 Simulation and experiment results of sitting pressure

圖3 仿真和實驗坐骨結節連線上應力分布對比Fig.3 Sitting pressure across the ischium nodule line from simulation and experiment

通過比較仿真和實驗數據的坐應力分布云圖以及坐骨結節連線上的應力變化曲線，仿真和實驗結果在最大坐應力、平均坐應力和變化趨勢上具有較好的相似性，仿真模型可以真實地反映實際的坐應力分布情況，說明所建立的有限元模型有效可行.

4 計算結果與分析

4.1 總體應力分布

圖4為仿真模型中的Von Mises等效應力分布情況.Von Mises等效應力是基于剪切應變能的一種等效應力，服從第四強度理論，即其認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應力分布外表面來看，其應力主要集中在骨盆部位，這與坐姿時應力分布的實際情況相符.

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

4.2 坐墊上應力分布

圖5為人體模型與坐墊接觸面上的Von Mises等效應力分布.由圖可知，在臀部左右坐骨結節處應力值最大，并以此向周圍逐漸減小，滿足舒適坐墊的體壓分布曲線［11］.

相關的研究發現平均坐應力、最大坐應力、接觸面積大小以及對稱性等指標可以用來表征坐應力分布與坐墊舒適性的關系.通過圖5坐墊上應力分布云圖以及數據，可以計算不同坐墊下的平均坐應力、最大坐應力等相關指標，以此來判斷不同坐墊的舒適性.

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

4.3 骨盆上應力分布

圖6為骨盆應力分布外觀圖和內部切片圖.可看出，在骨盆的坐骨結節以及骶髂關節部位應力分布最為集中，而研究表明，46%的飛行員患有腰椎間盤突出［19］，這與骶髂關節部位的應力過大有關，因此可將該部位的應力大小作為舒適性評價的依據.參照骨盆相應部位損傷時所承受的最大應力，可通過這幾個部位的應力大小來判斷人承受過載加速度的極限，以及選取合適的坐墊材料，設計合理的坐面傾角等.這對于減輕和預防飛行員執行過載任務時的身體損傷具有重要的參考價值.

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

4.4 不同過載下應力分布

4.4.1 不同過載下人體內部最大應力

模型中最大應力為Z方向應力的最大值.圖7為不同過載加速度下的最大應力.由圖可知，在不同過載加速度下，即給模型施加相應倍數的壓應力，模型中的最大壓應力與施加的壓應力是線性關系.

圖7 不同過載加速度下模型最大應力Fig.7 Maximum pressure on the interior human body at different overload accelerations

4.4.2 不同過載下坐墊上最大應力

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

圖8 不同過載加速度下坐墊最大應力Fig.8 Maximum pressure on the cushion at different overload accelerations

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

5 結論

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，并模擬計算了地面環境下坐姿時的應力分布情況，通過與實驗測得的坐應力進行對比分析，計算得到的應力分布變化趨勢以及應力值與實驗獲得的數據相一致，驗證了模型的有效性.

2)本文中建立的模型可以分析人體內部骨盆以及軟組織的應力分布情況，獲得應力在人體內部集中區域，進而分析可能會引起人體不舒適的部位.

3)鑒于仿真計算的優勢，本文中模型還可用于不同過載下的應力分布計算.比如飛行員執行特殊任務時或者載人火箭發射階段航天員面臨的過載情況，通過分析應力分布，可以針對性地提出改善舒適性的措施，對于我國飛機座椅等的設計改進具有一定的參考價值.

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