汽車駕駛員座椅舒適性仿真方法

葉佳桐 譚研 車欣禹 金曉萍

（中國農業大學）

用戶對汽車舒適性的要求越來越高，座椅是影響駕駛員舒適性的主要因素之一。目前，CAE已被很多行業用來改善產品設計或協助解決工程問題。在早期設計階段對座椅舒適性進行預測性分析能夠縮短設計周期，節省成本。駕駛員乘坐時，會在人-椅界面[1-2]上形成特定的體壓分布，這種分布形式會隨著座椅硬度和外形等因素的影響而變化。所以體壓分布特征是座椅舒適性有效的客觀評價手段之一[3]。文章利用掃描儀生成點云來創建模型，并通過在ANSYS中建立座椅和人體有限元網格模型進一步對座椅及人體進行受力分析，從而得到不同區域所受壓力，通過對比仿真與試驗的人體-座椅接觸界面壓力分布特性，來尋找座椅舒適度的快捷評判標準。

1 幾何模型建立

傳統的三維軟件構建幾何模型的方法只能根據測量所得的主要尺寸來大致描摹出座椅或人體的幾何模型，并不可能達到逼真地反映座椅或人體各部分曲面與形態的目的，而模型相對于人體、座椅不同部位尺寸及結構的變化，也會對仿真結果的真實性帶來一定的阻礙，所以文章選用模型三維掃描，然后運用逆向處理將其制作成3D模型的方法來實現更加精確的分析效果。真實的對象可以通過如：CMMS、激光掃描儀、結構光源轉換儀或者X射線斷層成像這些3D掃描技術進行尺寸測量。這些測量數據通常被認作是點集，由于點集缺乏拓撲信息，并不像3D軟件里的模型那樣直觀，所以它們通常會被制作成更有用格式，例如：多邊形網格、NURBS曲線或者CAD模型。可進行逆向處理的軟件主要有 CATIA，Imageware，Geomagic Studio，Copy-CAD。文章選用了現在較為普遍的CATIA軟件進行逆向處理，其操作方便靈活。

CATIA需要運用的模塊主要包括零件設計（PDG）、創成式外形設計（GSD）、快速曲面重建（QSR）、自由模式（FS）、線架與曲面設計（WSF）及界面點云處理（DSE）。其中：DSE模塊主要用作網格分析、網格縮減、自由邊線的建立及曲面分割；GSD模塊主要用作曲線曲面整合、曲面光順及曲線曲面拉伸；WSF模塊主要用作輔助點線面建立和填充；QSR模塊主要用作曲率分析和貼面；FS模塊主要用作初始曲面建立、曲面橋接及曲面對稱；PDG模塊主要用作零件實體化。

三維掃描得到的點云圖中存在了實際座椅的一些不規則及不正常的曲面變化，比如凹坑和凹槽等。在CATIA逆向工程中，需合理考慮理想座椅模型形狀，結合實際座椅點云圖，進行合理的修正，做出特征曲線，對模型進行細節優化，使其結構規整，合乎邏輯。此時修改的原則是，保證人體與座椅的接觸面和實際模型具有較高的相似度，曲面各部分保證曲率的連續性與近似程度，而其他不進行體壓分布處理的部分在保證不影響仿真結果的情況下只做成簡單的平面或拼接曲面，例如，對于座椅的底面和后面。類似的，在人體模型的逆向處理過程中，由于人體大腿與臀部的上表面并不會參與接下來的體壓分布分析，故而進行適當的簡化不僅不會影響試驗可信度，還可以大大提高建模的效率，在實際生產中可起到加快企業研發速率的作用。

CATIA逆向完成后形成的零件模型與三維掃描的模型或多或少存在一定差異，但是最終模型結果與三維掃描得到的點云圖一起顯示時，點云圖可在模型表面顯示出近50%的面積，而座椅與人體的接觸面可以近乎真實地反映兩者的接觸情況，滿足逆向要求，因此CATIA逆向得到的座椅模型為可用模型，具有實際意義。圖1示出一組人體和座椅的裝配圖。

圖1 人體和座椅裝配圖

2 有限元模型及分析

在ANSYS中構建有限元模型，并利用發泡材料特性和物理特性，對人椅接觸界面體壓分布特征參數進行分析，而體壓分布結果的可行性與可信度可通過3個方面來反映：1）人椅接觸界面平均壓力；2）人椅接觸界面最大壓力；3）人椅接觸界面相對應區域的尺寸及壓力分布情況[4]。而有限元模型的構建及相關參數的選擇對準確而真實地反映人椅接觸界面體壓分布規律具有較大影響。

有限元模型是非線性分析過程中決定仿真精度和穩定性的重要因素。從幾何模擬角度看，采用四面體單元進行空間型面離散化較為靈活、方便與準確，尤其易于逼近復雜的過渡面，在許多CAD/CAM軟件中常常采用四面體單元，用作基本的離散化單元。而網格單元的大小又決定著網格劃分的效率和收斂度，由于ANSYS網格劃分效率較高，又考慮到計算的精確性，本仿真過程中采用最大的網格劃分程度。圖2示出以mesh功能進行的模型網格劃分。

圖2 人體-座椅耦合模型的網格劃分

材料參數的選擇是影響模擬成敗的關鍵因素，材料參數的合理與否決定載荷與變形是否符合實際情況。真實人體材料極為復雜，主要分為皮膚和骨骼兩部分，而人體骨骼部分的骨頭模型是使用剛性構造（不變形）材料經過體積質量調整而來的準確的骨塊。骨骼經歷變形的程度很小，因此忽略骨骼的影響。真實人體皮膚是由多種成分組成的復合結構，根據皮膚的力學特性，將皮膚作為一個線性彈性各向同性近似可壓縮材料。由于對活體進行拉伸來獲取楊氏模量和泊松比等參數的方法是比較困難的，所以通過查閱大量文獻[5]，得到各項參數來作為參考，如表1所示。

表1 人椅模型賦值參數表

在定義接觸方式時，考慮到座椅表面比人體表面要大很多，而且體壓分布圖顯示在座椅表面，因而將人體臀部設置為接觸面而座椅設置為目標面。此外，在忽略皮膚之間衣物和坐墊的相互作用下，將摩擦因數設置為0.2。對仿真模型施加載荷時，為了之后能與試驗結果進行對比，并提高仿真結果準確性，在此采用對模擬環境施加重力場的方式，生成人體-座椅壓力分布圖，如圖3所示，可觀察到應力為臀部處較大，從臀部至腿部，應力值逐漸降低，壓力整體分布均勻。試驗中采用Tekscan CONFORMatTM的壓力測試墊來采集坐墊上的壓力分布。單個測試墊上共有1 024（32×32）個厚度為1.78 mm的力傳感器，可以測量高達33.3 kPa的壓力，測試墊的可測試面積為471.4 mm×471.4 mm。壓力墊表面有布覆蓋，試驗中固定壓力墊的邊緣，以使得壓力墊在測試過程中不出現滑移。體壓分布測試墊的布置示意圖，如圖4a所示，測試結果，如圖4b所示。

圖3 軟件分析座椅受力分布圖

圖4 重卡汽車座椅壓力測量與結果

3 仿真與實測結果對比

為方便進一步觀察，做出從大腿前端至臀部縱切面上，如圖5a所示的仿真壓力分布曲線與實測壓力分布曲線，從圖5a中可以很容易地看出，兩壓力分布曲線的峰值位置幾乎相同，人椅接觸界面各區域的壓力數值及變化趨勢趨于一致。再做出臀部橫切面上的仿真壓力分布曲線與實測壓力分布曲線，如圖5b所示，兩曲線相對于中間點壓力變化規律極為相似，兩側峰值處于同一位置，但由于右腳時刻處于踩住制動踏板或油門踏板的情形，故圖5b中曲線最低點右側區域平均數值較大。圖5中兩曲線變化趨勢極強的相關性表征通過該方法創建的模型對于評價人體舒適性具有可行性。該模型具有一定的實際意義，可用于進一步的汽車座椅舒適性分析。

圖5 汽車座椅仿真與實測壓力分布曲線

4 結論

文章通過人體-座椅仿真壓力分布與實測壓力分布的對比，驗證了此種虛擬仿真方法可作為汽車駕駛員座椅舒適性評測的一種可靠性手段。與傳統的座椅舒適性判斷相比，在時間與成本被大量壓縮的前提下，樣本可重復性與測試精確度反而得到了有效的提升。在產品設計階段可以根據實際人體-座椅體壓分布規律進行模型的改進和優化，從而為汽車座椅舒適性進一步的提升提供有力的科學依據。