基于體壓分布仿真的駕駛員座椅舒適性設計研究

王廣彬,任金東,劉洪浩

(吉林大學汽車工程學院,長春 130022)

前言

座椅舒適性是消費者考慮的一個重要因素。人椅界面間的體壓分布是度量座椅靜態舒適性的重要指標[1-7]。研究表明，體壓分布與座椅舒適性明顯相關，可綜合人椅間平均壓強、峰值壓強和壓強梯度等來評價座椅舒適性[8-11]。體壓分布通常通過實驗獲取，但存在精度低、可重復性差、影響因素多且復雜、很難得到人體組織應力、人椅界面間剪力和關節肌肉負荷等信息，以及容易受主觀因素影響等缺點。相比之下，仿真方法不僅能克服實驗的不足，還具有成本低、周期短、不受主觀因素影響和能在設計早期應用等優點。

關于體壓分布仿真，國內外學者建立了人體和座椅有限元模型來進行研究[12-16]；除了研究舒適性評價和座椅設計因素之外[17-18]，還進行人體生物力學建模和體壓分布的準確模擬[12]。但絕大多數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雜。對于確定的座椅和駕駛室布置參數，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座椅舒適性進行評價和優化很值得研究。同時，真實的姿勢是準確模擬體壓分布的關鍵，也是目前許多研究欠缺之處。在輔助設計方面，少數學者通過實驗研究不同形狀、不同座椅參數(靠背和坐墊傾角、腰部支撐量等)和不同發泡材料對于體壓分布的影響，從而指導設計[12，18-19]；乃至研究面向良好的體壓分布進行座椅設計的方法[20]。但是針對如何改進設計和輔助設計還須進行更深入的研究。

本文中建立了 H點裝置(H point machine，HPM)的有限元模型，用于通過仿真準確測定座椅的布置參數；建立了人體和參數化座椅有限元模型，對人體入座過程進行仿真，并分別對座椅設計時影響體壓分布的因素進行了仿真研究，得出了可用于指導座椅設計的規律。

1 H點裝置仿真

1.1 HPM建模

1.1.1 幾何建模

通過測繪HPM實物建立幾何模型；HPM各組成部分幾何模型分別建立并組裝到一起，通過參數控制 HPM的姿勢，參見圖 1。運用 DMU(digital mockup)模塊驗證機構的運動，尤其是腰部支撐量的變化能否體現在背板機構上，尺寸的變化是否正確等。幾何模型的主要尺寸驗證如圖2所示。

軀干部機構主要驗證腰部支撐量(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 模型的驗證

圖1 HPM幾何模型

圖2 主要尺寸的驗證

圖3 軀干部機構和腰部支撐量的驗證

圖4 HPM有限元模型

表1為校準后的HPM模型各部分質量，與SAE標準對比可知，HPM仿真模型的各部分質量均在允許誤差范圍之內。

表1 HPM仿真模型的各部分測量值

本文中利用HPM仿真方法測量駕駛室和座椅布置參數。為驗證其準確性，制定了驗證方案，見表2，共25組實驗，對比測量和仿真結果。座椅設計坐墊角和靠背角分別為14°和22°，仿真結果分別為13.8°和21.8°。圖5為坐墊角為14°時改變靠背角和靠背角19°時改變坐墊角的結果?？梢?，仿真結果和實測結果非常接近。

表2 HPM參數驗證方案

2 座椅體壓分布仿真

2.1 人體有限元建模

以美國ANSUR(anthropometry survey of US army)人體數據庫為數據源，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。再根據駕駛室布置參數(表3)，使用CPM(cascade prediction model)模型[22]計算和設置人體姿勢，如圖6所示。

圖5 仿真結果與實際測量結果的比較

表3 駕駛室布置參數

圖6 人體幾何模型

網格尺寸對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軟組織和骨骼建模；使用10mm大小的殼單元對皮膚建模，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特性[23-24]，具體參數如表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行描述，其應變能函數為

式中：U為應變能；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個參數控制，見圖8(a)。在此基礎上建立有限元模型，用10mm大小的四面體單元劃分網格，如圖8(b)所示。

座椅發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特性[25]，其材料特性可通過單軸壓縮實驗和剪切實驗數據來擬合[26]，實驗數據如圖9所示。設置泊松比為0。

圖8 參數化座椅模型

圖9 座椅發泡材料實驗數據曲線

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”進行控制，以防止相互穿透。摩擦因數設置為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。約束座椅發泡背面單元和手部與腳部單元各6個自由度，并施加重力場。

為方便分析，在座椅上定義了局部坐標系和關鍵截面，見圖10和表6，坐標原點與H點重合。

圖10 局部坐標系和關鍵截面

建立了5，50和95 3個百分位男性駕駛員人體模型，并進行體壓分布仿真。圖11為斷面Ⅱ內的人體軟組織應力分布。圖12為座椅上的壓強分布云圖?？梢?，軟組織中最大應力都出現在坐骨結節下方，說明坐骨結節處承受的壓強較大。坐墊上壓強以坐骨結節下方為中心向四周逐漸減小。從坐骨結節下方至大腿前下方，壓強也逐漸減小?？勘成献畲髩簭姵霈F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個關鍵截面的定義

圖11 人體軟組織應力

圖12 座椅表面的壓強分布

圖13 不同海綿厚度座椅的壓強分布

圖14 座椅接觸面積和最大壓強隨厚度的變化趨勢

3 座椅設計因素對體壓分布的影響

3.1 發泡厚度的影響

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

圖15 軟組織最大應力隨厚度的變化趨勢

3.2 腰托的影響

以座椅初始姿態下的腰部支撐位置為基礎進行腰部支撐量仿真，其中座椅初始姿態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10mm)時，腰托位置相對于初始位置從-20變化到20mm(步長10mm，由初始位置沿靠背線向下為負)時靠背的體壓分布。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)；而最大壓強則增大，見圖17(d)；而坐墊接觸面積和最大壓強與腰部支撐量關系不大。肩胛骨處的最大壓強減小，而腰部最大壓強則增大。經驗表明，適當提高腰部的最大壓強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隨腰部支撐量的變化趨勢

由于身材尺寸的差異，不同駕駛員對腰部支撐量的需求不同。從仿真結果看，腰部支撐量為20mm左右時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時人體與座椅的接觸面積和峰值壓強隨腰部支撐位置變化的趨勢?？梢姡佑|面積基本不受腰部支撐位置變化的影響，而靠背峰值壓強對于不同駕駛員呈現不規律的變化。

圖18 接觸面積和最大壓強隨支撐位置的變化趨勢

3.3 坐墊角和靠背角的影響

圖19 為單獨改變靠背角(坐墊角為15°，靠背角分別取20°，23°和 26°)時體壓分布的變化，每次坐墊角或靠背角的仿真調整都是通過HPM測量實現的。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。由圖可見，隨著靠背角的增加，靠背腰部附近壓強增加，且越靠近下方增加幅度越大；上背部的最大壓強峰值降低。對于坐墊，雖然壓強水平在各處沒有明顯變化，但峰值位置略向后方移動。

圖19 不同靠背角時的壓強分布

圖20 斷面Ⅲ和斷面Ⅰ處的壓強分布

圖21 為單獨改變坐墊角(靠背角為23°，坐墊角分別取12°，15°和18°)時體壓分布的變化。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。由圖可見，坐墊角對靠背體壓分布幾乎沒影響；而坐墊角增大時，坐墊上大腿前下方的壓強明顯增加。

圖21 不同坐墊角時的壓強分布

圖22 斷面Ⅲ和斷面Ⅰ處的壓強分布

結果表明，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。坐墊角過大會增加大腿下方與坐墊前緣接觸處的壓強，易造成局部血液不暢；坐墊角過小則易導致臀部下方壓強過大，產生不舒適的感覺。不同身材駕駛員對座椅靠背和坐墊角的需求不同，二者必須相互協調才能提高座椅舒適性。

4 結論

(1)建立了H點裝置有限元模型，實現對座椅坐墊角、靠背角、H點位置和腰部支撐量的仿真測量方法。建立了人體和座椅有限元模型，對人椅間體壓分布進行了仿真研究。

(2)研究了座椅海綿發泡厚度、腰部支撐量與支撐位置、坐墊角和靠背角對體壓分布的影響。結果表明，適當增加發泡厚度有利于降低人椅接觸面最大壓強，但要綜合考慮成本等因素確定。適當增加腰部支撐能改善舒適性，支撐量為20mm時3位駕駛員舒適性最好。支撐位置應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這兩個角度的要求。

(3)本文中的仿真方法已經經過實驗驗證[12]，非常適用于在座椅設計早期對駕駛員體壓分布進行評估，和面向理想的體壓分布來確定座椅的設計參數。但由于目前的仿真還存在一定的簡化，今后將考慮更多的實際因素(座椅面料、發泡支撐彈簧和著裝因素等)，使仿真更接近實際情況，確保得出的規律具有更實用的價值。