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，舒適性這個詞也越來越普遍，成為設(shè)計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價方法還不夠完善。

現(xiàn)在許多學(xué)者對于駕駛員與座椅之間的壓力分布的研究是通過試驗得到體壓分布的特征，對比不同因素對于座椅舒適性的影響[4-6]。但這些方法相對來說比較傳統(tǒng)，需要比較多的樣本數(shù)量，耗費(fèi)時間和人力，而計算機(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，仿真分析相對于試驗來說具有成本低、效率高的優(yōu)點。目前國內(nèi)在壓力分布仿真研究方面起步較晚，研究的重點在人體模型上，座椅模型則相對比較簡單，并沒有與實際座椅進(jìn)行有效的對比，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。

本文中針對某款商用車座椅，提出了一種基于H點測量裝置(HPM)的座椅體壓分布仿真分析方法。利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法對比各個區(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 泡沫和面料試驗測試

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

圖1 試驗現(xiàn)場測試圖

圖2 泡沫壓縮(左)和拉伸(右)試驗

圖3 面料縱向(左)和橫向(右)拉伸試驗

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。

由于面料是各項異性材料，需要對面料的不同區(qū)域進(jìn)行分塊，見圖5(a)，以便定義各個區(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算時間，尺寸定為10mm；由于體壓分布測試過程中，座椅骨架基本不變形，同時也為了節(jié)約計算時間，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個自由度，約束假人腳跟點1-6個自由度。因為只考慮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，加載時間為1 200ms。

2 體壓分布測試試驗

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

試驗測試方法如下：

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

(2)測量靠背角、坐墊角、小腿角，腳跟距離座椅安裝孔的距離；

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

(4)重復(fù)3次測量，保存體壓測試數(shù)據(jù)。

3 仿真和試驗體壓分布對比與分析

3.1 體壓分布評價指標(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個部分，靠背分為9個部分，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、不對稱系數(shù)、最大壓力梯度和平均壓力梯度[14]。由于上述幾個參數(shù)主要用來評價座椅整體體壓分布，而對于局部體壓分布而言，總壓力、不對稱系數(shù)、最大壓力梯度和平均壓力梯度的研究意義不大，且計算量較大。為更科學(xué)地評價各個區(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個評價指標(biāo)，并用每個區(qū)域的占重比代替總壓力。

圖7 體壓區(qū)域分布

3.2 座椅仿真模型驗證

對于X-sensor測試系統(tǒng)，每個壓力傳感器的測試數(shù)據(jù)都會單獨(dú)保留，這樣就為數(shù)據(jù)的提取提供了方便。由于試驗測試時壓力測試墊中部分區(qū)域是無效的，故選擇以接觸區(qū)域為中心的36×36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。軟件可自動把相鄰節(jié)點的壓力值等效到一個小正方形內(nèi)，并根據(jù)試驗測試時單個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)，并把等值圖按照圖7進(jìn)行分塊劃分。利用上述公式計算各個區(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)果的對稱性要優(yōu)于試驗，且仿真結(jié)果壓力從大到小過渡平緩，沒有突變，而對于試驗壓力值從大到小分布較分散，局部接觸不完整。對于靠背區(qū)域BP4，試驗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。對于坐墊試驗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

對于靠背，從圖11(a)可以看出，試驗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；對于坐墊，從圖11(b)可以看出，試驗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，試驗測試的最大值為8.9kPa，誤差為1.24kPa，誤差較大的原因可能是由于試驗時在放置HPM時局部有折疊所導(dǎo)致。通過圖11各個區(qū)域壓力最大值的對比可以看出，區(qū)域 BP1，BP4，BP6，BP11，BP13，BP14和BP17的壓力最大值，試驗與仿真的最大誤差為6.7%，試驗與仿真比較接近。

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評價指標(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各個區(qū)域壓力平均值的對比可以看出，區(qū)域 BP1，BP4，BP6，BP8，BP10，BP11，BP13，BP14和BP17的壓力平均值，試驗與仿真的最大誤差為5.9%，試驗與仿真比較接近。

圖11 試驗與仿真各個區(qū)域壓力最大值對比

圖12 試驗與仿真各個區(qū)域壓力平均值對比

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結(jié)果。尤其是側(cè)翼的接觸面積對比更明顯，且仿真的各個區(qū)域比較連續(xù)；通過圖13各個區(qū)域壓力平均值的對比可以看出，區(qū)域 BP1，BP4，BP6，BP13和 BP14的接觸面積，試驗與仿真的最大誤差為3.8%，試驗與仿真比較接近。

圖13 試驗與仿真各個區(qū)域接觸面積對比

占重比反映的是假人各個區(qū)域在座椅上重力的分配情況，可以初步判斷座椅設(shè)計是否合理。從圖14(a)可以看出，占重比最大的區(qū)域為腰部區(qū)域(BP6)，其次為肩部區(qū)域，說明座椅靠背設(shè)計較為合理；從圖14(b)可以看出，占重比最大的區(qū)域為臀部區(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)計也比較合理。通過圖14的對比可以看出，區(qū)域BP1，BP4，BP6，BP7，BP9，BP11，BP13，BP14 和 BP17 的占重比，試驗與仿真的最大誤差為7.3%，試驗與仿真比較接近。

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)計分析方法對比各個區(qū)域的壓力最大值、壓力平均值、接觸面積和占重比4個評價指標(biāo)。對比結(jié)果表明，所建立的詳細(xì)座椅模型能夠較真實地反映座椅體壓分布的一般規(guī)律。

圖14 試驗與仿真各個區(qū)域占重比對比

(2)對于肩部(BP1)、腰部(BP6)和大腿(BP13，BP14)區(qū)域的體壓評價指標(biāo)，誤差在10%以內(nèi)，試驗與仿真較接近。

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