面向體壓分布的人椅系統(tǒng)建模*

黃深榮,張志飛,賀巖松,徐中明,袁 瓊

(1.重慶大學(xué)，機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室,重慶 400030； 2.重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院,重慶 400030)

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面向體壓分布的人椅系統(tǒng)建模*

黃深榮,張志飛,賀巖松,徐中明,袁 瓊

(1.重慶大學(xué)，機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室,重慶 400030； 2.重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院,重慶 400030)

以Hybrid III假人和某款乘用車座椅為基礎(chǔ)，建立不同網(wǎng)格尺寸的人椅系統(tǒng)有限元模型，通過對(duì)其體壓分布結(jié)果進(jìn)行分析和對(duì)比，確定了滿足要求的模型網(wǎng)格尺寸。然后對(duì)人體模型的體段質(zhì)量和人椅系統(tǒng)的體壓分布結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算了人椅系統(tǒng)模型的體壓分布，分別分析和對(duì)比了良好坐姿和兩種不良坐姿狀態(tài)下的體壓分布，包括最大壓力和平均壓力等參數(shù)。結(jié)果表明，所建立的模型可準(zhǔn)確反映人體體壓分布特征，可為座椅的設(shè)計(jì)和乘坐舒適性評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

汽車座椅；人椅系統(tǒng)；體壓分布；乘坐舒適性

前言

車輛舒適性是消費(fèi)者選購和衡量產(chǎn)品的重要因素和依據(jù)，座椅作為人機(jī)交互的主要界面，很大程度上決定了汽車的乘坐舒適性，而座椅體壓分布是影響舒適性最為重要的指標(biāo)之一。

對(duì)座椅體壓分布的研究，學(xué)者們提出了各種能夠反映乘坐舒適性的體壓分布指標(biāo)[1]，通過實(shí)驗(yàn)得到體壓分布的特征，驗(yàn)證了不同因素與舒適性的相關(guān)性[2-4]，而目前這些對(duì)座椅的研究主要依靠傳統(tǒng)方法，基于實(shí)驗(yàn)臺(tái)架研究[5-6]，在實(shí)物制作和實(shí)驗(yàn)修改上的花費(fèi)太大。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為其研究提供了一種新的方法，通過建立人體整體或者局部模型，并與座椅模型耦合，通過有限元分析得到體壓和變形分布的結(jié)果[7-9]，然而人椅系統(tǒng)有限元模型，特別是人體模型的建立還不是很完善。

通過建立完整的人體模型，并對(duì)其進(jìn)行了體段質(zhì)量分布和體壓分布驗(yàn)證，仿真分析并對(duì)比了汽車人椅系統(tǒng)模型在不同坐姿狀態(tài)下的體壓分布結(jié)果，得出各體壓分布指標(biāo)與乘坐舒適性的關(guān)系，可以為座椅設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 人體模型的建立與驗(yàn)證

1.1 人體模型的建立

體壓分布是由于駕乘人員在汽車座椅上作用的結(jié)果，所以人體模型的建立對(duì)分析結(jié)果至關(guān)重要。以美國第50百分位成年男子Hybrid III假人為基礎(chǔ)，其主要尺寸和體質(zhì)量相當(dāng)于中國第95百分位男子[10]，該模型在尺寸和外形上與真人具有很高的生物仿真度，然而整個(gè)有限元模型的單元尺寸較大，網(wǎng)格劃分粗糙，細(xì)節(jié)表現(xiàn)差。故須對(duì)其進(jìn)行局部網(wǎng)格的修改和姿勢(shì)的適當(dāng)調(diào)整，得到符合分析要求的人體模型。

根據(jù)軟件分析的特點(diǎn)和載荷工況的實(shí)際情況，對(duì)于人椅系統(tǒng)的靜態(tài)舒適性分析，須保證人體與座椅接觸區(qū)域的仿真度和網(wǎng)格的匹配性，人體各組織合適的剛度特性以及人體質(zhì)量的合理分配。

首先，為適應(yīng)有限元軟件分析的需要，應(yīng)使人體模型與座椅模型接觸區(qū)域既能夠正確反映體壓分布情況，控制計(jì)算誤差，又有較高的計(jì)算效率。

為正確選取人體模型的網(wǎng)格尺寸，采用不同的網(wǎng)格尺寸等級(jí)，對(duì)原始假人人體模型的軀干和大腿部分的肌肉網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，并分別進(jìn)行體壓分布計(jì)算，表1列出這5種模型的單元、節(jié)點(diǎn)數(shù)目和分析計(jì)算時(shí)間，表中“尺寸等級(jí)”表示網(wǎng)格基本尺寸。

表1 人體模型各尺寸等級(jí)信息

計(jì)算得到5個(gè)模型的體壓分布結(jié)果如圖1所示。從圖1看出，網(wǎng)格越細(xì)，分析結(jié)果精度越高，但是計(jì)算所用時(shí)間越多。同時(shí)考慮建模和分析的經(jīng)濟(jì)性和準(zhǔn)確性，則10mm為其中較優(yōu)的尺寸等級(jí)。從表1可知，10和15mm尺寸等級(jí)的模型計(jì)算時(shí)間很相近，10mm等級(jí)的模型在計(jì)算時(shí)間不太大的情況下，又能夠正確反映真實(shí)的體壓結(jié)果，所以選用該尺寸等級(jí)對(duì)人體模型網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。

骨骼的建模，須對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理：(1)忽略一些對(duì)分析沒有影響的部位，如指骨和腳趾骨等骨骼結(jié)構(gòu)；(2)簡(jiǎn)化一些不規(guī)則骨骼，如上肢和下肢骨骼進(jìn)行直化處理，用圓管模擬；(3)關(guān)鍵部位通過近似模擬得到，如胸腔的建立，左右兩側(cè)建立兩個(gè)對(duì)稱的肋骨體，前面與胸骨體相連，后面再固定在胸脊柱上，中間形成空腔。根據(jù)骨骼結(jié)構(gòu)的不同選用不同的單元尺寸，上肢骨和下肢骨用殼單元模擬，在長寬方向的基準(zhǔn)尺寸各為15和10mm，肋骨和脊椎骨主要用體單元建立，尺寸為20mm左右。

然后對(duì)人體各組織賦予不同的屬性。由于人體組織很多，包括骨骼、皮膚、肌肉、血管、神經(jīng)等，其表現(xiàn)的材料特性不一樣，在與座椅接觸過程中不同的剛?cè)嵝阅軙?huì)導(dǎo)致接觸狀態(tài)的差異，從而對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。然而對(duì)每一種組織定義各自材料屬性較困難且沒有必要。故在人體建模時(shí)，參照人體生理學(xué)結(jié)構(gòu)，對(duì)人體主要的骨骼和軟組織建模，如圖2所示。

所有骨骼簡(jiǎn)化為一種各向同性的彈性材料，其密度為1 700kg/m3，彈性模量為16.7GPa，泊松比為0.3。

肌肉軟組織是一種具有很強(qiáng)黏彈性的非線性材料。在有限元軟件中非線性材料使用非線性各向同性可壓縮超彈性的材料本構(gòu)模型，該模型是通過給定材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行定義的。人椅系統(tǒng)靜態(tài)體壓分析中，肌肉的變形屬于準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變，根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，測(cè)得肌肉在低應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，同一應(yīng)變處的應(yīng)力值采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)方差的形式給出，而且所得曲線數(shù)據(jù)由7組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均得到，由此確定肌肉的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。

其他對(duì)接觸狀態(tài)不產(chǎn)生影響的軟組織，如內(nèi)臟和大腦等，用集中質(zhì)量單元代替。

1.2 人體模型的驗(yàn)證

對(duì)建立的人體有限元模型，通過計(jì)算體段質(zhì)量分布進(jìn)行驗(yàn)證。

因?yàn)槿艘蜗到y(tǒng)的靜態(tài)體壓分布結(jié)果只受人體重力載荷的影響，所以人體模型各個(gè)體段的質(zhì)量分布對(duì)結(jié)果影響很大，須對(duì)其體段質(zhì)量分布進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)所設(shè)置的材料參數(shù)，計(jì)算得到模型各個(gè)體段的質(zhì)量及其相對(duì)人體整體質(zhì)量百分比，如表2所示。

表2 人體模型各體段質(zhì)量及相對(duì)質(zhì)量

將計(jì)算的人體質(zhì)量數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[12]中數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如表3所示。

表3 各體段相對(duì)質(zhì)量與國外資料比較 %

從表3中可見，所計(jì)算的模型各體段質(zhì)量的相對(duì)值與國外學(xué)者所研究的數(shù)值相近，其相對(duì)質(zhì)量的平均誤差均在2%以下。所以計(jì)算所獲得的人體各組織的比重準(zhǔn)確、可信，建立的人體模型合理有效。它可以應(yīng)用到以人體重力為主要載荷的人椅系統(tǒng)體壓分布的分析中。

2 人椅系統(tǒng)模型

2.1 座椅模型

座椅模型是某乘用車駕駛員座椅，由骨架和泡沫墊組成。對(duì)座椅的建模，根據(jù)各部件對(duì)分析的貢獻(xiàn)程度，采用類似的簡(jiǎn)化原則對(duì)座椅進(jìn)行建模。靠背、座盆支架、座盆等座椅骨架使用殼單元模擬，頭枕、靠背、坐墊等采用體單元模擬，網(wǎng)格尺寸均為8mm。

座椅骨架使用的材料主要為各向同性的St12鋼板，密度為7 800kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。

坐墊、靠背和頭枕軟墊使用的材料是泡沫材料，座椅泡沫材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線也是以某轎車駕駛員軟墊實(shí)際測(cè)得的材料特性曲線為依據(jù)，其應(yīng)力應(yīng)變曲線[13]如圖4所示。

2.2 人椅系統(tǒng)模型的建立

將座椅模型和人體模型放在一起，參照SAE267C等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)人體在座椅中的坐姿進(jìn)行調(diào)整，得到坐姿人椅系統(tǒng)模型。

本次分析屬于高度非線性問題，包括材料非線性和由于接觸約束導(dǎo)致的邊界條件非線性。對(duì)模型施加邊界約束和載荷條件，具體步驟如下。

(1) 約束施加 分別約束座椅4個(gè)地腳和雙腳支撐墊板6個(gè)自由度；接觸在有限元中是一類特殊不連續(xù)的約束，模型中均定義為“面對(duì)面”的接觸方式，在雙腳底部和腳支撐墊板，臀部和坐墊，背部與靠背，頭部和頭枕間定義4對(duì)接觸。為使計(jì)算收斂，高效和準(zhǔn)確地得到分析結(jié)果，還必須選擇合適的時(shí)間步長、接觸距離容限和偏斜系數(shù)等分析參數(shù)。

(2) 載荷施加 只考慮身體重力的載荷因素，因此給人椅系統(tǒng)模型施加垂直向下(負(fù)Z向)的重力加速度g，大小為9 800mm/s2，以模擬重力載荷。圖5為加載完邊界條件之后的有限元分析模型。

為驗(yàn)證所建立的人椅系統(tǒng)模型及其體壓分布結(jié)果的正確性，對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)體壓分布分析，并根據(jù)座椅靜態(tài)受力與人體質(zhì)量比例，對(duì)計(jì)算的體壓分布結(jié)果進(jìn)行折算驗(yàn)證。

對(duì)人椅系統(tǒng)模型進(jìn)行體壓分布分析，并導(dǎo)出坐墊上全部承載點(diǎn)所受到的接觸力，求和得到座椅坐墊上的總壓力值為500.160N，人體總質(zhì)量為76.64kg，則坐墊承載了人體總質(zhì)量的66.53%，與文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[15]中的研究結(jié)果(坐墊受力占人體總質(zhì)量的70%左右)相吻合，說明人椅系統(tǒng)模型和仿真結(jié)果是準(zhǔn)確的。

3 不同坐姿體壓分布仿真結(jié)果與分析

對(duì)體壓分布描述，主要采用總壓力、最大壓力、平均壓力、接觸面積、不對(duì)稱系數(shù)等參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]，根據(jù)人體工程學(xué)的研究，最舒適的體壓分布一般原則是使人體質(zhì)量以較大的支撐面積，較小的單位壓力分布在坐墊上，壓力分布從坐骨結(jié)節(jié)向外逐漸降低，無突變。

而這些體壓指標(biāo)對(duì)舒適度的影響最終都反映在最大壓力和平均壓力上面，所以選用這兩個(gè)參數(shù)來評(píng)價(jià)體壓分布的合理性。

最大壓力是指全部受壓點(diǎn)中的最大值，跟坐墊的剛度有直接關(guān)系，定義為

pm=max(p1,p2,…,pN)

(1)

平均壓力是指全部受壓點(diǎn)壓力的算術(shù)平均值，不僅可以體現(xiàn)坐墊剛度，也能反映人體與座椅間的接觸狀態(tài)，即

(2)

式中：N為受壓點(diǎn)數(shù)；pi為測(cè)點(diǎn)壓力值。

體壓分布和坐姿密切相關(guān)，是影響乘坐舒適性很重要的因素。在人體模型、人椅系統(tǒng)模型及其體壓分布結(jié)果均得到驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，運(yùn)用所建立的人椅系統(tǒng)模型，對(duì)幾種不同坐姿進(jìn)行體壓分布分析計(jì)算。

3.1 良好坐姿體壓分布

參照SAE267C標(biāo)準(zhǔn)，把人體各個(gè)關(guān)節(jié)和座椅靠背角度和椅面高度調(diào)為人機(jī)工程學(xué)認(rèn)為舒適的角度，其中膝蓋彎曲角、腳角、軀干與大腿夾角分別為105°，92°和95°，此時(shí)，椅面高度為34cm。加載完固定約束、接觸約束和重力載荷之后，使用高級(jí)非線性軟件MSC.MARC作為求解器進(jìn)行分析求解。得到坐墊體壓分布云圖如圖6所示。

從圖6可知，最大壓力為25.1kPa，根據(jù)相關(guān)研究[1]可知，汽車人椅系統(tǒng)體壓分布最大壓力一般在20～40kPa之間，25.1kPa在合理的范圍內(nèi)。由壓力分布云圖也可以看出，最大壓力出現(xiàn)在人體的坐骨結(jié)節(jié)處，該處人體血管、神經(jīng)分布較少，是可以承重的部位，因此坐骨結(jié)節(jié)處的壓力最大是符合人機(jī)工程學(xué)的要求，而向大腿方向壓力值逐漸變小，由坐骨結(jié)節(jié)向臀后，壓力驟降至最低。

導(dǎo)出坐墊上所有受壓點(diǎn)的壓力值，計(jì)算其平均壓力的大小為8.420kPa。

分析左右兩側(cè)的體壓分布云圖可以看出，體壓基本上呈對(duì)稱分布。

3.2 不良坐姿體壓分布

在汽車使用中，由于乘員體型和座椅的不同，椅面高度的不同，會(huì)出現(xiàn)不良坐姿，也就容易引起不舒適感。乘員坐姿簡(jiǎn)單來說，可以用坐骨結(jié)節(jié)的高度作為一個(gè)衡量指標(biāo)；但鑒于坐骨結(jié)節(jié)高度不便量測(cè)，且作為本文中所建人體模型的基礎(chǔ)—Hybrid III假人，其坐骨結(jié)節(jié)高度與座椅高度有一固定差值，故可用座椅椅面高度作為參量對(duì)坐姿進(jìn)行定量描述。

圖7為兩種典型的不良坐姿示意圖，左側(cè)坐姿可以認(rèn)為是由于椅面高度太高，坐墊前端壓迫大腿底部；右側(cè)坐姿是由于椅面太低，使人體呈前屈狀。這兩種坐姿都會(huì)引起駕乘人員有不舒適感。

對(duì)于椅面過高的不良坐姿，經(jīng)過調(diào)整得到椅面高度為40cm，膝蓋彎曲角、軀干與大腿夾角大小分別為80°和98°。在有限元中用雙腳無支撐的懸空狀態(tài)模擬，而其他的約束和載荷條件不變。計(jì)算得到體壓分布結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，最大壓力值為21.3kPa，并計(jì)算得到平均壓力為7.508kPa。雖然其最大壓力值和平均壓力都要比良好坐姿情況下略小，但是從壓力云圖看出，在大腿下面出現(xiàn)了較大的壓力值，根據(jù)人體生物學(xué)的研究可知，人體大腿下面的肌肉群由于含有很多較大的血管和神經(jīng)系統(tǒng)，不宜承受較大壓力，長時(shí)間的受壓容易影響神經(jīng)傳導(dǎo)，產(chǎn)生麻痹酸痛等不適感覺，故該坐姿下其乘坐舒適感更差，這與實(shí)際乘坐經(jīng)驗(yàn)相符合。

對(duì)第2種椅面過低的不良坐姿，其椅面高度調(diào)整為28cm，膝蓋彎曲角、軀干與大腿夾角大小分別為100°和90°。圖9為調(diào)整之后的有限元模型。對(duì)調(diào)整后的人椅模型進(jìn)行求解分析得到其體壓分布結(jié)果如圖10所示。

椅面過低的不良坐姿下，體壓分布的最大壓力值為33.7kPa，位于兩個(gè)坐骨結(jié)節(jié)附近。與良好坐姿狀態(tài)的計(jì)算結(jié)果相比，最大壓力值增加了8.6kPa，而壓力分布總面積減小，使體壓分布總體以較大值集中分布在較小的區(qū)域，平均壓力達(dá)到9.817kPa。這種坐姿使最大壓力和平均壓力都過大，同樣會(huì)使駕乘人員身體局部疼痛，引起煩躁疲勞，導(dǎo)致產(chǎn)生乘坐不舒適感。

通過對(duì)3種不同坐姿的體壓分布結(jié)果分析和對(duì)比可知，舒適度較高的體壓分布應(yīng)該是在坐骨結(jié)節(jié)處承受最大壓力，但不宜過大，由坐骨結(jié)節(jié)向周圍逐漸減小，壓力過渡平滑，同時(shí)大腿中部壓力不宜過大，且左右對(duì)稱。由此可知，分析結(jié)果與體壓分布的一般原則相符合，說明所建立的人椅系統(tǒng)模型可以準(zhǔn)確地反映人體體壓分布及其分布規(guī)律，能夠用于座椅的實(shí)際設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

利用有限元軟件建立了完整的人體模型，并對(duì)人體模型進(jìn)行了體段質(zhì)量分布和體壓分布的驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上，對(duì)人椅系統(tǒng)模型進(jìn)行體壓分布分析，討論了在良好坐姿和兩種不良坐姿狀態(tài)下的坐墊體壓分布。分析結(jié)果表明，所建立的模型能夠真實(shí)和正確地反映人椅系統(tǒng)的體壓分布特征，能夠應(yīng)用到座椅系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化中，對(duì)座椅的理論評(píng)價(jià)和改善舒適性具有指導(dǎo)意義。

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Human-seat System Modeling for Body Pressure Distribution

Huang Shenrong1,2, Zhang Zhifei1,2, He Yansong2, Xu Zhongming1,2& Yuan Qiong2

1.ChongqingUniversity,StateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission,Chongqing400030； 2.SchoolofMechanicalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400030

Based on Hybrid III dummy and a car seat, a FE model for human-seat system with different grid sizes is set up, and through the comparison of the analysis results of pressure distribution, the mesh size meeting the requirements is determined. Then the results of body segment mass of human body model and the pressure distribution of human-seat system are verified. On this basis, the pressure distribution of human-seat system is calculated, and the pressure distribution parameters, including peak pressure and average pressure, of one proper sitting posture and two poor sitting postures are analyzed and compared. The results indicate that the model established can precisely reflect the pressure distribution characteristics of human-seat system, providing a reference basis for vehicle seat design and ride comfort evaluation.

vehicle seat; human-seat system; body pressure distribution; ride comfort

*國家自然科學(xué)基金(51105390)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(CDJZR13110041)資助。

原稿收到日期為2013年11月15日，修改稿收到日期為2014年2月21日。