基于邊緣人體模型仿真的座椅設(shè)計方法研究

杜曉明，任金東，李潤麗，高曉嫻

(1.一汽-大眾汽車有限公司，長春 130011; 2.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025;3.東風(fēng)汽車技術(shù)中心，武漢 430056)

前言

乘坐舒適性一直是汽車駕駛室設(shè)計關(guān)注的重要內(nèi)容。駕駛員坐姿和舒適性與座椅表面支撐部位的設(shè)計有很大關(guān)系。因此，座椅的設(shè)計不僅要考慮外觀，更要考慮受載表面與人體良好的貼合和支撐特性。從原理上講，只要把握與坐姿舒適性密切相關(guān)的人體特征點和座椅特征部位，以人體特征點來確定座椅特征部位，就能在很大程度上保證舒適坐姿［1］。

為提高駕駛座椅的坐姿舒適性和設(shè)計的科學(xué)性，本文中提出了一種基于邊緣人體模型(boundary manikin，BM)和人椅界面壓力分布仿真的座椅正向設(shè)計方法，意在確保獲得合理的腰部支撐位置，提高坐姿舒適性;更重要的是，能夠從統(tǒng)計學(xué)意義上保證坐姿舒適性對目標人群的設(shè)計適應(yīng)度。

1 目標人群的邊緣人體模型

在與人體尺度相關(guān)的設(shè)計中，為使產(chǎn)品設(shè)計滿足大多數(shù)人的需要，即達到足夠的設(shè)計適應(yīng)度，須根據(jù)目標人群的相關(guān)人體尺寸來確定產(chǎn)品規(guī)格。因此，本文中首先提煉出與座椅設(shè)計相關(guān)的人體尺寸。根據(jù)這些人體尺寸變量的分布規(guī)律和數(shù)字特征(均值和協(xié)方差矩陣)，采用Monte Carlo仿真分別生成男性和女性人群人體尺寸樣本(樣本容量各為10 000)。對生成的人體尺寸樣本進行主成分分析(principal component analysis，PCA)［2］，并在主成分軸組成的坐標系中選定邊緣人體模型。其流程如圖1所示。

1.1 Monte Carlo仿真生成人體數(shù)據(jù)樣本

因為駕駛室布置參數(shù)影響駕駛姿勢，必須根據(jù)這些布置參數(shù)和人體尺寸預(yù)測駕駛姿勢，進而根據(jù)人體特征點來確定座椅支撐部位。為此，須提煉出與數(shù)字人體建模和駕駛姿勢預(yù)測相關(guān)的人體測量學(xué)尺寸，如圖2所示。依據(jù)這些尺寸項選取了可進行Monte Carlo仿真的24項人體尺寸。

由于多維人體尺寸呈現(xiàn)一定的聯(lián)合分布規(guī)律，是多維隨機變量，必須根據(jù)其分布特點來選取用于確定產(chǎn)品尺寸的人體數(shù)據(jù)，從而使設(shè)計結(jié)果從統(tǒng)計學(xué)角度滿足所需的設(shè)計適應(yīng)度。

設(shè)矢量x表示人體的n個測量數(shù)據(jù)項。對于單一性別人群，大多數(shù)一維靜態(tài)人體測量數(shù)據(jù)近似符合正態(tài)分布(或經(jīng)數(shù)學(xué)變換，使得到的新變量服從正態(tài)分布)，則總體x的聯(lián)合分布概率密度函數(shù)［3］為

式中:μ為x的均值;B為x的協(xié)方差矩陣。

利用人體數(shù)據(jù)庫中與駕駛姿勢有關(guān)的人體尺寸變量的數(shù)字特征(均值和協(xié)方差矩陣)，通過Monte Carlo仿真生成男性和女性人群各自容量為10 000的樣本，作為后面駕駛員仿真的人體尺寸數(shù)據(jù)源。

Monte Carlo方法是根據(jù)隨機變量的概率分布規(guī)律，通過產(chǎn)生隨機數(shù)的方法得到符合該隨機變量概率分布特點的隨機數(shù)值序列的一種仿真方法［4］。

1.2 人體尺寸數(shù)據(jù)的主成分分析

在多數(shù)情況下，人體尺寸變量之間可能存在著相關(guān)性，從而使這些多維數(shù)據(jù)處理起來更為復(fù)雜，需要有針對性地對這些數(shù)據(jù)進行分析處理，盡可能利用較少的數(shù)據(jù)、在保證原數(shù)據(jù)信息基本不丟失的條件下能有效地解釋這些變量的分布規(guī)律。主成分分析是基于變量協(xié)方差矩陣對諸多變量信息進行線性變換以提取出少數(shù)重要變量的多元統(tǒng)計分析方法，利用主成分分析能夠達到合理的降維效果。

采用主成分分析對上述提煉得到的24項人體尺寸變量中與駕駛姿勢相關(guān)的人體尺寸進行數(shù)據(jù)降維，得到對原始數(shù)據(jù)解釋性最大的3個主成分，發(fā)現(xiàn)它們能夠解釋95%以上的數(shù)據(jù)離散情況(對于男女人群，3個特征值的累計方差貢獻率分別高達96.052%和95.311%)，說明抽取的主成分效果比較理想。男性人群主成分分析結(jié)果如表1所示。

表1 男性人群主成分分析結(jié)果

1.3 邊緣人體模型的選取

在進行汽車產(chǎn)品設(shè)計時，必須使設(shè)計的產(chǎn)品滿足足夠的適應(yīng)度，保證人群中大部分個體的使用要求，因此需要結(jié)合目標人群的人體尺寸進行設(shè)計;但同時考慮人群中每個個體的人體尺寸變量將會使設(shè)計變得復(fù)雜化，所以通常選取多維人體尺寸分布置信邊界上的邊緣人體模型(BM)［3，5－6］作為方案設(shè)計和分析的依據(jù)。依據(jù)邊緣人選取規(guī)則確定BM，結(jié)合人體數(shù)據(jù)運用準則(例如一維設(shè)計中的個體設(shè)計準則)合理地進行產(chǎn)品設(shè)計，便可保證產(chǎn)品適合人群中絕大多數(shù)個體。

BM是在多維人體尺度分布置信邊界上提取出的個體，理論上提取出的個體描述的范圍越接近置信邊界，模型代表性越強。當(dāng)取3個主成分時，人體尺度分布的置信邊界由式(2)確定:

式中:χ2為服從卡方分布的統(tǒng)計量;Fi為第i個主成分;μFi和σFi分別為第i個主成分的均值和標準差。

本文中利用上面主成分分析所提取的3個主成分來描述目標人群，其原始人體尺度變量為身高、體質(zhì)量和坐高，則邊緣人體模型由身高、體質(zhì)量和坐高的3個主成分坐標確定。具體的確定方法是根據(jù)適應(yīng)度要求確定以3個主成分軸為正交軸的球面，選取球端點和8個象限中球表面中心點處所代表的14個個體作為邊緣人體模型，如圖3中數(shù)字所示，圖中的F1、F2和F3分別表示第一、第二和第三主成分軸;對應(yīng)的主成分和人體尺度參見表2。

表2 邊緣人體模型主成分坐標和人體尺度

2 駕駛員H點預(yù)測

H點是座椅設(shè)計的重要基準點，通常采用三維H點裝置(SAE定義)測量得到［7］。在沒有座椅實物之前，為得到準確的H點位置，本文中采用仿真方法進行預(yù)測［8］。根據(jù) HPM－Ⅱ型 H點裝置標準［7］建立幾何模型，見圖4(a)，進而建立有限元模型。H點裝置的座板和背板輪廓采用殼單元模擬，其它部件采用實體單元模擬。材料參數(shù)根據(jù)實際情況設(shè)置。模型裝配時出于提高計算效率的考慮，將H點裝置定位在與座椅即將接觸的位置。對于帶有旋轉(zhuǎn)副和滑動副的部位分別采用HINGE和TRANSLATOR連接屬性進行模擬;約束住座椅海綿底部和靠背海綿后面單元的各個自由度，各部件的接觸采用面對面接觸方式進行模擬。垂直向下施加重力加速度確保H點裝置以實際重力下落。利用ABAQUS軟件進行準靜態(tài)分析，計算結(jié)果如圖4(b)所示。仿真與試驗結(jié)果對比見表3。由表3可見，H點下沉量的仿真結(jié)果略小于試驗結(jié)果，導(dǎo)致這種誤差的原因可能是試驗時未安裝小腿和鞋，而仿真時受支撐的小腿分擔(dān)了部分由座板和背板傳來的重力。

表3 仿真與試驗對比 mm

3 BM腰部特征點空間分布的仿真

駕駛員背部姿勢和背部特征點分布是指導(dǎo)座椅腰背部支撐設(shè)計的重要因素。為滿足使用人群的適應(yīng)度，在設(shè)計汽車座椅背部支撐時須合理考慮使用人群人體尺寸的分布范圍。這里通過仿真BM的姿勢來模擬腰背部特征點的空間位置分布。

3.1 BM的姿勢預(yù)測和腰背部特征點分布

駕駛員軀干特征點分布與人體尺寸和駕駛姿勢密切相關(guān)，受座椅和駕駛室布置參數(shù)影響很大。結(jié)合駕駛姿勢預(yù)測模型(cascade prediction model，CPM)［9］，在 Visual C++6.0 平臺上編寫仿真程序，模擬隨機落座情況下BM軀干特征點的分布。通過考慮姿勢角度的均值和標準差計算得到BM軀干特征點的分布，如圖5(a)所示，圖中 BOF(ball of foot)、AHP(accelerator heel point)的定義參見文獻［10］。利用預(yù)測姿勢下的人體背部特征點繪出表征姿勢的運動學(xué)模型，得到BM軀干輪廓分布，如圖5(b)所示。選取BM軀干輪廓分布最前、最后位置的兩個邊緣人對應(yīng)的人體特征點分布，用于確定座椅H點前后調(diào)節(jié)的行程。

3.2 BM腰背部特征點分布

乘用車駕駛座椅多為行程可調(diào)式，駕駛員可根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，不僅有利于充分獲得舒適駕駛位置，還能保證座椅靠背得到充分利用。在確定人體背部在座椅上的支撐面位置時，假設(shè)所有駕駛員均能充分合理地利用座墊和靠背。于是，座椅腰部支撐的位置可通過人體背部特征點與座椅H點的相對位置來確定，而與坐標系的選取無關(guān)。以前面預(yù)測得到的H點為坐標原點，將仿真的腰背部特征點數(shù)據(jù)統(tǒng)一在同一坐標系下，參見圖6，用歸一化后的數(shù)據(jù)指導(dǎo)靠背設(shè)計。從圖6可見，統(tǒng)一到同一坐標系下的BM背部特征點分布趨于集中。

4 基于BM體壓分布的靠背型面設(shè)計

研究表明，體壓分布對坐姿舒適性有很大影響。最適宜的體壓分布應(yīng)保證:(1)人體的大部分質(zhì)量以較大的支撐面積、較小的單位壓力合理地分布到座墊和靠背上;(2)靠背設(shè)計應(yīng)符合“兩點支承”原則，即腰椎骨和肩胛骨兩個部位壓力最高，壓力大小平滑過渡，避免突然變化［11］。設(shè)計良好的座椅應(yīng)能保證合理的體壓分布，并保證人體特征點和座椅特征部位貼合良好。因此，本文中嘗試根據(jù)理想的壓力分布模式來反求座椅海綿形狀。

4.1 BM腰部支撐面位置確定

將統(tǒng)一到同一坐標系下的各邊緣人背部特征點繪出，考慮乘用車座椅靠背傾斜角度(一般為22°～25°)，座椅腰部支撐的上下、前后極限位置便可依據(jù)靠背傾斜方向和垂直于該方向的BM軀干特征點分布的4個極限點初步確定，如圖6(b)中突出顯示的坐標點所示，對應(yīng)的BM背部特征點分布特征如表4所示。此時的上下和前后極限點均是人體關(guān)節(jié)點，需要根據(jù)人體尺寸和體壓分布仿真結(jié)果確定各極限點對應(yīng)的體表變形后的位置，并以此來反算未變形的座椅靠背支撐部位的位置。對于上下不可調(diào)節(jié)的座椅腰部支撐，可直接以反算的平均座椅支撐位置作為最終設(shè)計位置;對于上下可調(diào)節(jié)座椅腰部支撐，其腰部支撐凸起部位上下調(diào)節(jié)的極限位置可根據(jù)圖6(b)中BM腰部特征點分布上下極限點結(jié)合壓力分布反算的體表變形后位置確定。

表4 極限位置的BM背部特征點分布特征 mm

4.2 基于BM壓力分布的座椅靠背型面反求

利用上述方法也可求得座椅靠背其它部位變形后的位置，為此，須要根據(jù)壓力分布計算［12］結(jié)果反求未變形時的位置。選取靠背腰部支撐處的某截面進行研究。對統(tǒng)一后的BM背部特征點分布中最前和最后的邊緣人進行體壓分布仿真，得到腰部支撐部位座椅變形。結(jié)合前面已經(jīng)求得的變形后的位置，通過補償變形量反求座椅型面的初始位置，如圖7(a)所示。補償?shù)淖冃瘟繛閴毫Ψ植加嬎惬@得的座椅海綿變形。根據(jù)上述方法確定座椅靠背關(guān)鍵部位的型面，并經(jīng)過造型修整后得到的座椅靠背形狀參見圖7(b)。

5 結(jié)論

(1)研究了目標人群人體數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分布規(guī)律和使用原理。提煉出對駕駛姿勢和坐姿舒適性具有影響的人體尺寸，經(jīng)過統(tǒng)計分析得出了其中的主成分。據(jù)此篩選了邊緣人體模型，為保證設(shè)計適應(yīng)度和減少計算量提供了保障。

(2)利用姿勢預(yù)測方法和邊緣人體模型進行了聯(lián)合仿真，獲得了邊緣人體模型背部特征點的分布，并在其中篩選出了用于確定腰背部支撐分布范圍的邊緣人體模型，得到了用于座椅腰背部設(shè)計的人體腰背部特征點分布。

(3)根據(jù)邊緣人體模型的腰背部特征點分布數(shù)據(jù)、人體尺寸數(shù)據(jù)和體壓分布仿真結(jié)果，計算得出了符合坐姿舒適性和理想體壓分布的座椅靠背海綿型面設(shè)計方案。

本文中提出的意在保證人體舒適姿勢和腰背部舒適的駕駛座椅正向設(shè)計方法，能夠有效提高設(shè)計質(zhì)量和一次成功率。目前的研究采用邊緣人體模型來考慮設(shè)計適應(yīng)度，但有可能出現(xiàn)采用了若干階主成分仍不能保證設(shè)計適應(yīng)度的情況，需要研究一些替代方法;此外，在體壓分布等的仿真方面采用了一些簡化，例如將皮膚、肌肉等視為同種材料模擬，并且計算量很大，未來的研究將建立更為詳細的人體模型，考慮更多的因素，并提高計算的效率，以完善本文中提出的座椅正向設(shè)計方法。

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