面向體壓分布的人椅系統建模*

黃深榮,張志飛,賀巖松,徐中明,袁 瓊

(1.重慶大學，機械傳動國家重點試驗室,重慶 400030； 2.重慶大學汽車工程學院,重慶 400030)

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2015146

面向體壓分布的人椅系統建模*

黃深榮,張志飛,賀巖松,徐中明,袁 瓊

(1.重慶大學，機械傳動國家重點試驗室,重慶 400030； 2.重慶大學汽車工程學院,重慶 400030)

以Hybrid III假人和某款乘用車座椅為基礎，建立不同網格尺寸的人椅系統有限元模型，通過對其體壓分布結果進行分析和對比，確定了滿足要求的模型網格尺寸。然后對人體模型的體段質量和人椅系統的體壓分布結果進行驗證。在此基礎上，計算了人椅系統模型的體壓分布，分別分析和對比了良好坐姿和兩種不良坐姿狀態下的體壓分布，包括最大壓力和平均壓力等參數。結果表明，所建立的模型可準確反映人體體壓分布特征，可為座椅的設計和乘坐舒適性評價提供參考依據。

汽車座椅；人椅系統；體壓分布；乘坐舒適性

前言

車輛舒適性是消費者選購和衡量產品的重要因素和依據，座椅作為人機交互的主要界面，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之一。

對座椅體壓分布的研究，學者們提出了各種能夠反映乘坐舒適性的體壓分布指標[1]，通過實驗得到體壓分布的特征，驗證了不同因素與舒適性的相關性[2-4]，而目前這些對座椅的研究主要依靠傳統方法，基于實驗臺架研究[5-6]，在實物制作和實驗修改上的花費太大。計算機技術的發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果[7-9]，然而人椅系統有限元模型，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，并對其進行了體段質量分布和體壓分布驗證，仿真分析并對比了汽車人椅系統模型在不同坐姿狀態下的體壓分布結果，得出各體壓分布指標與乘坐舒適性的關系，可以為座椅設計提供依據。

1 人體模型的建立與驗證

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果，所以人體模型的建立對分析結果至關重要。以美國第50百分位成年男子Hybrid III假人為基礎，其主要尺寸和體質量相當于中國第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，然而整個有限元模型的單元尺寸較大，網格劃分粗糙，細節表現差。故須對其進行局部網格的修改和姿勢的適當調整，得到符合分析要求的人體模型。

根據軟件分析的特點和載荷工況的實際情況，對于人椅系統的靜態舒適性分析，須保證人體與座椅接觸區域的仿真度和網格的匹配性，人體各組織合適的剛度特性以及人體質量的合理分配。

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

為正確選取人體模型的網格尺寸，采用不同的網格尺寸等級，對原始假人人體模型的軀干和大腿部分的肌肉網格進行細化，并分別進行體壓分布計算，表1列出這5種模型的單元、節點數目和分析計算時間，表中“尺寸等級”表示網格基本尺寸。

表1 人體模型各尺寸等級信息

計算得到5個模型的體壓分布結果如圖1所示。從圖1看出，網格越細，分析結果精度越高，但是計算所用時間越多。同時考慮建模和分析的經濟性和準確性，則10mm為其中較優的尺寸等級。從表1可知，10和15mm尺寸等級的模型計算時間很相近，10mm等級的模型在計算時間不太大的情況下，又能夠正確反映真實的體壓結果，所以選用該尺寸等級對人體模型網格進行細化。

骨骼的建模，須對其結構進行相應的簡化處理：(1)忽略一些對分析沒有影響的部位，如指骨和腳趾骨等骨骼結構；(2)簡化一些不規則骨骼，如上肢和下肢骨骼進行直化處理，用圓管模擬；(3)關鍵部位通過近似模擬得到，如胸腔的建立，左右兩側建立兩個對稱的肋骨體，前面與胸骨體相連，后面再固定在胸脊柱上，中間形成空腔。根據骨骼結構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、神經等，其表現的材料特性不一樣，在與座椅接觸過程中不同的剛柔性能會導致接觸狀態的差異，從而對結果產生影響。然而對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，參照人體生理學結構，對人體主要的骨骼和軟組織建模，如圖2所示。

所有骨骼簡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模型，該模型是通過給定材料的應力應變曲線進行定義的。人椅系統靜態體壓分析中，肌肉的變形屬于準靜態應變，根據文獻[11]中的實驗研究結果，測得肌肉在低應變率下的應力應變曲線，同一應變處的應力值采用平均值±標準方差的形式給出，而且所得曲線數據由7組實驗數據平均得到，由此確定肌肉的應力應變曲線如圖3所示。

其他對接觸狀態不產生影響的軟組織，如內臟和大腦等，用集中質量單元代替。

1.2 人體模型的驗證

對建立的人體有限元模型，通過計算體段質量分布進行驗證。

因為人椅系統的靜態體壓分布結果只受人體重力載荷的影響，所以人體模型各個體段的質量分布對結果影響很大，須對其體段質量分布進行驗證。根據所設置的材料參數，計算得到模型各個體段的質量及其相對人體整體質量百分比，如表2所示。

表2 人體模型各體段質量及相對質量

將計算的人體質量數據與文獻[12]中數據進行比較，如表3所示。

表3 各體段相對質量與國外資料比較 %

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

2 人椅系統模型

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。對座椅的建模，根據各部件對分析的貢獻程度，采用類似的簡化原則對座椅進行建模。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，座椅泡沫材料的應力應變曲線也是以某轎車駕駛員軟墊實際測得的材料特性曲線為依據，其應力應變曲線[13]如圖4所示。

2.2 人椅系統模型的建立

將座椅模型和人體模型放在一起，參照SAE267C等相關標準，對人體在座椅中的坐姿進行調整，得到坐姿人椅系統模型。

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致的邊界條件非線性。對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個地腳和雙腳支撐墊板6個自由度；接觸在有限元中是一類特殊不連續的約束，模型中均定義為“面對面”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對接觸。為使計算收斂，高效和準確地得到分析結果，還必須選擇合適的時間步長、接觸距離容限和偏斜系數等分析參數。

(2) 載荷施加 只考慮身體重力的載荷因素，因此給人椅系統模型施加垂直向下(負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。

為驗證所建立的人椅系統模型及其體壓分布結果的正確性，對其進行靜態體壓分布分析，并根據座椅靜態受力與人體質量比例，對計算的體壓分布結果進行折算驗證。

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

3 不同坐姿體壓分布仿真結果與分析

對體壓分布描述，主要采用總壓力、最大壓力、平均壓力、接觸面積、不對稱系數等參數作為評價指標[1]，根據人體工程學的研究，最舒適的體壓分布一般原則是使人體質量以較大的支撐面積，較小的單位壓力分布在坐墊上，壓力分布從坐骨結節向外逐漸降低，無突變。

而這些體壓指標對舒適度的影響最終都反映在最大壓力和平均壓力上面，所以選用這兩個參數來評價體壓分布的合理性。

最大壓力是指全部受壓點中的最大值，跟坐墊的剛度有直接關系，定義為

pm=max(p1,p2,…,pN)

(1)

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

(2)

式中：N為受壓點數；pi為測點壓力值。

體壓分布和坐姿密切相關，是影響乘坐舒適性很重要的因素。在人體模型、人椅系統模型及其體壓分布結果均得到驗證的基礎上，運用所建立的人椅系統模型，對幾種不同坐姿進行體壓分布分析計算。

3.1 良好坐姿體壓分布

參照SAE267C標準，把人體各個關節和座椅靠背角度和椅面高度調為人機工程學認為舒適的角度，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，椅面高度為34cm。加載完固定約束、接觸約束和重力載荷之后，使用高級非線性軟件MSC.MARC作為求解器進行分析求解。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，根據相關研究[1]可知，汽車人椅系統體壓分布最大壓力一般在20～40kPa之間，25.1kPa在合理的范圍內。由壓力分布云圖也可以看出，最大壓力出現在人體的坐骨結節處，該處人體血管、神經分布較少，是可以承重的部位，因此坐骨結節處的壓力最大是符合人機工程學的要求，而向大腿方向壓力值逐漸變小，由坐骨結節向臀后，壓力驟降至最低。

導出坐墊上所有受壓點的壓力值，計算其平均壓力的大小為8.420kPa。

分析左右兩側的體壓分布云圖可以看出，體壓基本上呈對稱分布。

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，會出現不良坐姿，也就容易引起不舒適感。乘員坐姿簡單來說，可以用坐骨結節的高度作為一個衡量指標；但鑒于坐骨結節高度不便量測，且作為本文中所建人體模型的基礎—Hybrid III假人，其坐骨結節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坐姿進行定量描述。

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

對于椅面過高的不良坐姿，經過調整得到椅面高度為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模擬，而其他的約束和載荷條件不變。計算得到體壓分布結果如圖8所示。

由圖8可知，最大壓力值為21.3kPa，并計算得到平均壓力為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，在大腿下面出現了較大的壓力值，根據人體生物學的研究可知，人體大腿下面的肌肉群由于含有很多較大的血管和神經系統，不宜承受較大壓力，長時間的受壓容易影響神經傳導，產生麻痹酸痛等不適感覺，故該坐姿下其乘坐舒適感更差，這與實際乘坐經驗相符合。

對第2種椅面過低的不良坐姿，其椅面高度調整為28cm，膝蓋彎曲角、軀干與大腿夾角大小分別為100°和90°。圖9為調整之后的有限元模型。對調整后的人椅模型進行求解分析得到其體壓分布結果如圖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，位于兩個坐骨結節附近。與良好坐姿狀態的計算結果相比，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域，平均壓力達到9.817kPa。這種坐姿使最大壓力和平均壓力都過大，同樣會使駕乘人員身體局部疼痛，引起煩躁疲勞，導致產生乘坐不舒適感。

通過對3種不同坐姿的體壓分布結果分析和對比可知，舒適度較高的體壓分布應該是在坐骨結節處承受最大壓力，但不宜過大，由坐骨結節向周圍逐漸減小，壓力過渡平滑，同時大腿中部壓力不宜過大，且左右對稱。由此可知，分析結果與體壓分布的一般原則相符合，說明所建立的人椅系統模型可以準確地反映人體體壓分布及其分布規律，能夠用于座椅的實際設計。

4 結論

利用有限元軟件建立了完整的人體模型，并對人體模型進行了體段質量分布和體壓分布的驗證，在此基礎上，對人椅系統模型進行體壓分布分析，討論了在良好坐姿和兩種不良坐姿狀態下的坐墊體壓分布。分析結果表明，所建立的模型能夠真實和正確地反映人椅系統的體壓分布特征，能夠應用到座椅系統的設計和優化中，對座椅的理論評價和改善舒適性具有指導意義。

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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

*國家自然科學基金(51105390)和中央高校基本科研業務費(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。