座椅體壓分布仿真分析與評(píng)價(jià)

沈重陽，張 鵬，汪慶忠，李 楊，楊 戈，高 偉

(長安歐尚汽車研究院，重慶 400000)

前言

隨著生活水平的提高，消費(fèi)者越來越注重汽車的乘坐體驗(yàn)，舒適性這個(gè)詞也越來越普遍，成為設(shè)計(jì)座椅的重要考慮問題之一。座椅體壓分布是研究汽車座椅舒適性的主要方法之一[1-3]，但目前體壓分布的仿真分析和評(píng)價(jià)方法還不夠完善。

現(xiàn)在許多學(xué)者對(duì)于駕駛員與座椅之間的壓力分布的研究是通過試驗(yàn)得到體壓分布的特征，對(duì)比不同因素對(duì)于座椅舒適性的影響[4-6]。但這些方法相對(duì)來說比較傳統(tǒng)，需要比較多的樣本數(shù)量，耗費(fèi)時(shí)間和人力，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為體壓分布的研究提供了一種高效的方法，仿真分析相對(duì)于試驗(yàn)來說具有成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)。目前國內(nèi)在壓力分布仿真研究方面起步較晚，研究的重點(diǎn)在人體模型上，座椅模型則相對(duì)比較簡單，并沒有與實(shí)際座椅進(jìn)行有效的對(duì)比，因此有必要建立一種較為詳細(xì)的座椅體壓仿真分析模型。

本文中針對(duì)某款商用車座椅，提出了一種基于H點(diǎn)測(cè)量裝置(HPM)的座椅體壓分布仿真分析方法。利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)比各個(gè)區(qū)域的壓力最大值、壓力平均值、接觸面積和占重比。本仿真模型可為后續(xù)汽車座椅的靜態(tài)舒適性研究提供指導(dǎo)。

1 座椅仿真模型建立

1.1 泡沫和面料試驗(yàn)測(cè)試

體壓分布反映的是假人與座椅之間的接觸壓力，而泡沫和面料對(duì)結(jié)果的影響最大[7-9]，對(duì)于這兩種材料，分別進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)(見圖1)。對(duì)于泡沫，分別做了拉伸和壓縮試驗(yàn)(見圖2和圖3)，試驗(yàn)方法參考ASTM D1621—2010[10]，面料的拉伸試驗(yàn)參考 GB/T3923.1—2013和 SAE J826[11-12]，因?yàn)槊媪狭W(xué)性能的各項(xiàng)異性，分2個(gè)方向拉伸，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

圖2 泡沫壓縮(左)和拉伸(右)試驗(yàn)

圖3 面料縱向(左)和橫向(右)拉伸試驗(yàn)

1.2 座椅模型的組成

座椅仿真模型包括面料、填充物、泡沫、彈簧和骨架5個(gè)部分(見圖4)，其中骨架分為坐墊、靠背和頭枕。

由于面料是各項(xiàng)異性材料，需要對(duì)面料的不同區(qū)域進(jìn)行分塊，見圖5(a)，以便定義各個(gè)區(qū)域面料的方向，見圖5(b)。面料采用四邊形網(wǎng)格，尺寸為8mm，類型為薄膜單元；填充物是指面料上合成的一層泡沫，采用實(shí)體單元模擬；彈簧單元采用1D單元模擬，類型為Beam；泡沫結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用四面體網(wǎng)格，為了兼顧仿真精度和計(jì)算時(shí)間，尺寸定為10mm；由于體壓分布測(cè)試過程中，座椅骨架基本不變形，同時(shí)也為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，把座椅骨架進(jìn)行剛化處理，見圖5(c)。

圖4 座椅有限元模型

圖5 座椅模型

1.3 HPM仿真模型

HPM(見圖6)為SAE J826中的H-POINT MACHINE，Pam-Comfort軟件已經(jīng)將該裝置集成到軟件中。本文中采用95號(hào)模型尺寸進(jìn)行仿真，大腿長度為456mm，小腿長度為459mm，質(zhì)量為76.3kg，靠背角按照設(shè)計(jì)位置設(shè)置為27°，大腿角度為12°，小腿角度為38°，前安裝孔到腳跟點(diǎn)的距離為500mm。

1.4 約束和加載

圖6 HPM裝置

約束座椅骨架的1-6個(gè)自由度，約束假人腳跟點(diǎn)1-6個(gè)自由度。因?yàn)橹豢紤]身體重力的載荷因素，因此給HPM-座椅模型施加垂直向下的重力加速度g，大小為9 800mm/s2，以模擬重力加載，加載時(shí)間為1 200ms。

2 體壓分布測(cè)試試驗(yàn)

本文中采用的體壓測(cè)試裝置為X-sensor電容式壓力傳感器，該傳感器可以提供研究者一個(gè)高重復(fù)性、低遲滯和最小的蠕變特性。每個(gè)方格的尺寸為12.7mm×12.7mm，試驗(yàn)時(shí)測(cè)試頻率為45Hz，采樣時(shí)間為2min。

試驗(yàn)測(cè)試方法如下：

(1)先將座椅調(diào)整到設(shè)計(jì)位置狀態(tài)，按照SAE J826測(cè)試要求，把HPM裝置約束在座椅上；

(2)測(cè)量靠背角、坐墊角、小腿角，腳跟距離座椅安裝孔的距離；

(3)測(cè)試完成后把HPM裝置移走，把體壓測(cè)試裝置鋪在座椅上，盡量保持平整，不能折疊；

(4)重復(fù)3次測(cè)量，保存體壓測(cè)試數(shù)據(jù)。

3 仿真和試驗(yàn)體壓分布對(duì)比與分析

3.1 體壓分布評(píng)價(jià)指標(biāo)

為研究人體與座椅不同接觸區(qū)域的體壓分布規(guī)律[13]，將坐墊分為8個(gè)部分，靠背分為9個(gè)部分，具體分布見圖7。

用于描述體壓分布的指標(biāo)主要包括總壓力、最大壓力、平均壓力、接觸面積、不對(duì)稱系數(shù)、最大壓力梯度和平均壓力梯度[14]。由于上述幾個(gè)參數(shù)主要用來評(píng)價(jià)座椅整體體壓分布，而對(duì)于局部體壓分布而言，總壓力、不對(duì)稱系數(shù)、最大壓力梯度和平均壓力梯度的研究意義不大，且計(jì)算量較大。為更科學(xué)地評(píng)價(jià)各個(gè)區(qū)域的壓力分布情況，本文中選擇最大壓力、平均壓力和接觸面積3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并用每個(gè)區(qū)域的占重比代替總壓力。

圖7 體壓區(qū)域分布

3.2 座椅仿真模型驗(yàn)證

對(duì)于X-sensor測(cè)試系統(tǒng)，每個(gè)壓力傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)都會(huì)單獨(dú)保留，這樣就為數(shù)據(jù)的提取提供了方便。由于試驗(yàn)測(cè)試時(shí)壓力測(cè)試墊中部分區(qū)域是無效的，故選擇以接觸區(qū)域?yàn)橹行牡?6×36的區(qū)域。Pam-comfort軟件已經(jīng)集成了仿真數(shù)據(jù)提取的功能，可把體壓仿真結(jié)果(見圖8)按照單元法向輸出。軟件可自動(dòng)把相鄰節(jié)點(diǎn)的壓力值等效到一個(gè)小正方形內(nèi)，并根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試時(shí)單個(gè)Sensor大小設(shè)置正方形的大小。

圖8 體壓仿真分析結(jié)果

把試驗(yàn)和仿真矩陣數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Origin中，然后利用Origin繪制出等值圖(見圖9和圖10)，并把等值圖按照?qǐng)D7進(jìn)行分塊劃分。利用上述公式計(jì)算各個(gè)區(qū)域的最大值、平均值、接觸面積和占重比。

由圖9和圖10可以看出，仿真結(jié)果的對(duì)稱性要優(yōu)于試驗(yàn)，且仿真結(jié)果壓力從大到小過渡平緩，沒有突變，而對(duì)于試驗(yàn)壓力值從大到小分布較分散，局部接觸不完整。對(duì)于靠背區(qū)域BP4，試驗(yàn)和仿真都有一塊空白的區(qū)域，這是由于靠背曲面弧度較大，且該區(qū)域泡沫有一條布置鐵絲的溝槽，影響了假人與靠背的接觸。對(duì)于坐墊試驗(yàn)和仿真的壓力最大值都集中在臀部和大腿交接的地方。

圖9 靠背體壓分布

圖10 坐墊體壓分布

對(duì)于靠背，從圖11(a)可以看出，試驗(yàn)和仿真的壓力最大值出現(xiàn)在臀部與靠背接觸的區(qū)域(BP7，BP9)，該區(qū)域接觸面積比較小，導(dǎo)致局部接觸壓力較大，這是由HPM的特殊結(jié)構(gòu)決定的；對(duì)于坐墊，從圖11(b)可以看出，試驗(yàn)和仿真的壓力最大值都分布在假人臀部(BP10，BP11)區(qū)域，仿真結(jié)果的最大值為7.74kPa，試驗(yàn)測(cè)試的最大值為8.9kPa，誤差為1.24kPa，誤差較大的原因可能是由于試驗(yàn)時(shí)在放置HPM時(shí)局部有折疊所導(dǎo)致。通過圖11各個(gè)區(qū)域壓力最大值的對(duì)比可以看出，區(qū)域 BP1，BP4，BP6，BP11，BP13，BP14和BP17的壓力最大值，試驗(yàn)與仿真的最大誤差為6.7%，試驗(yàn)與仿真比較接近。

平均壓力不僅反映坐墊的剛度，也能很好地反映人體與座椅間的接觸狀態(tài)，是體壓分布較為重要的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。從圖12(a)可以看出，平均壓力的最大值在腰部區(qū)域(BP6)，與理想體壓分布的結(jié)論一致，側(cè)翼壓力為零，側(cè)翼沒接觸的原因是由于靠背側(cè)翼的傾角較小，景中與靠背接觸較好；從圖12(b)可以看出，平均壓力的分布規(guī)律為臀部接觸區(qū)域(BP10，BP11)最大，與正常人體的體壓分布規(guī)律一致。通過圖12各個(gè)區(qū)域壓力平均值的對(duì)比可以看出，區(qū)域 BP1，BP4，BP6，BP8，BP10，BP11，BP13，BP14和BP17的壓力平均值，試驗(yàn)與仿真的最大誤差為5.9%，試驗(yàn)與仿真比較接近。

圖11 試驗(yàn)與仿真各個(gè)區(qū)域壓力最大值對(duì)比

圖12 試驗(yàn)與仿真各個(gè)區(qū)域壓力平均值對(duì)比

接觸面積反映了假人與座椅之間的接觸情況，該值的大小能夠反映泡沫的軟硬程度。從圖13(a)可以看出，接觸面積最大位置在肩部(BP1)和腰部(BP6)，與理想體壓分布的結(jié)論一致；從圖13(b)可以看出，仿真結(jié)果的接觸面積總體大于試驗(yàn)結(jié)果。尤其是側(cè)翼的接觸面積對(duì)比更明顯，且仿真的各個(gè)區(qū)域比較連續(xù)；通過圖13各個(gè)區(qū)域壓力平均值的對(duì)比可以看出，區(qū)域 BP1，BP4，BP6，BP13和 BP14的接觸面積，試驗(yàn)與仿真的最大誤差為3.8%，試驗(yàn)與仿真比較接近。

圖13 試驗(yàn)與仿真各個(gè)區(qū)域接觸面積對(duì)比

占重比反映的是假人各個(gè)區(qū)域在座椅上重力的分配情況，可以初步判斷座椅設(shè)計(jì)是否合理。從圖14(a)可以看出，占重比最大的區(qū)域?yàn)檠繀^(qū)域(BP6)，其次為肩部區(qū)域，說明座椅靠背設(shè)計(jì)較為合理；從圖14(b)可以看出，占重比最大的區(qū)域?yàn)橥尾繀^(qū)域(BP10，BP11)，其次為大腿區(qū)域(BP13，BP14)，最后是大腿前部區(qū)域(BP16，BP17)。與理想體壓分布的規(guī)律較一致，說明坐墊的整體設(shè)計(jì)也比較合理。通過圖14的對(duì)比可以看出，區(qū)域BP1，BP4，BP6，BP7，BP9，BP11，BP13，BP14 和 BP17 的占重比，試驗(yàn)與仿真的最大誤差為7.3%，試驗(yàn)與仿真比較接近。

4 結(jié)論

(1)利用有限元軟件建立了較為詳細(xì)的座椅體壓分布仿真模型，利用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)比各個(gè)區(qū)域的壓力最大值、壓力平均值、接觸面積和占重比4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)比結(jié)果表明，所建立的詳細(xì)座椅模型能夠較真實(shí)地反映座椅體壓分布的一般規(guī)律。

圖14 試驗(yàn)與仿真各個(gè)區(qū)域占重比對(duì)比

(2)對(duì)于肩部(BP1)、腰部(BP6)和大腿(BP13，BP14)區(qū)域的體壓評(píng)價(jià)指標(biāo)，誤差在10%以內(nèi)，試驗(yàn)與仿真較接近。

(3)該座椅模型可為后續(xù)基于假人的靜態(tài)舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究提供一種手段，對(duì)理論評(píng)價(jià)和改善座椅舒適性具有指導(dǎo)意義。