基于H點裝置仿真的壓力分布與座椅參數測量和舒適性評價的研究

陳俊豪，任金東，劉 濤，華 猛，劉洪浩

(吉林大學汽車工程學院，長春 130022)

基于H點裝置仿真的壓力分布與座椅參數測量和舒適性評價的研究

陳俊豪，任金東，劉 濤，華 猛，劉洪浩

(吉林大學汽車工程學院，長春 130022)

為研究人-椅界面的壓力分布座椅不同參數對座椅靜態舒適性的影響，基于相關標準構建了H點裝置有限元模型，驗證了幾何模型的主要尺寸、各部分的質量、腰部調節量和軀干運動學姿態；對幾何模型進行了網格劃分，并定義了接近真實情況的邊界條件，對有限元模型的準確性進行了驗證。建立了簡化的座椅有限元模型，并將H點裝置和座椅有限元模型裝配在一起；按照實際接觸情況施加邊界條件，進行了壓力分布仿真，并通過試驗驗證了仿真結果的準確性。最后以某一座椅實例，驗證了利用H點裝置有限元仿真進行座椅參數和壓力分布測量的可行性，并提出了一種基于H點裝置仿真壓力分布的座椅靜態舒適性評價模型。

H點裝置；壓力分布；座椅參數；靜態舒適性

前言

人-座椅間的界面壓力是度量座椅舒適性的重要指標[1-3]，其確定有試驗和仿真兩種方法。試驗方法主要難點在于可重復性差，影響因素多且復雜。對于真人試驗，需要綜合不同人的壓力分布結果，還受主觀因素的影響。用實物代替真人試驗通常使用假臀、假腿來模擬真人，但假臀和假腿等實物不能真實地模擬人體輪廓，且背部輪廓有時不能與靠背很好地貼合，尤其是座椅存在腰部支撐時。相比試驗方法，仿真方法具有成本低、周期短、不受客觀因素影響的優點。目前國外眾多學者建立人體有限元模型來仿真人-椅間的相互作用[4-10]，所建立的人體模型與真人相似度很高，但存在建模和仿真工作量大、難以綜合各種身材壓力分布結果來評價座椅舒適性的問題，且無法用于對標分析。

鑒于實物評價和真實人體有限元仿真在評價座椅舒適性方面存在的不足，探索一種重復性好、能用于座椅設計初期快速計算和評價座椅壓力分布的方法很有價值[11-13]。H點裝置(H point machine，HPM)是車身布置和測量的工具，對駕駛室人機工程學設計和參數測量、輔助駕駛室內部基準點的定位有重要意義。本文中探索利用H點裝置有限元模型進行仿真計算來測量座椅布置參數、計算人-椅壓力分布，進而評價靜態舒適性的方法。

1 H點裝置簡介

H點裝置對于駕駛室人機工程學設計與測量和輔助駕駛室內部基準點的定位具有重要意義。HPM-Ⅱ型H點裝置主體部分由鞋、小腿、大腿、座板和軀干組成，各部分均可拆卸。胸部、腰部、大腿、盆骨等處都裝有配重塊，模擬真實人體的質量。表1列出了H點裝置的各部件質量。圖1為H點測量裝置的主要尺寸[14]。

表1 H點測量裝置各部分質量

軀干和座板與座椅接觸的部位具有與人體外輪廓相似的形狀。在座板和軀干上還有用于度量坐墊角、軀干角、腰部支撐量、H點位置的基準或標尺。H點裝置的軀干和座板部分主要依據美國中等身材男性輪廓制造，腿部長度可調節，以便于根據不同設計目標進行布置或測量。

測量駕駛室或座椅參數是H點裝置的主要功能。HPM-Ⅱ型H點裝置在測量座椅參數時可以脫離駕駛室布置環境，且可不安裝腿部，相對于老版本的H點裝置(OsCar)有了很大改進。

圖1 H點裝置的主要尺寸

2 H點裝置有限元建模

2.1 幾何建模

通過測繪建立H點裝置幾何模型。為保證幾何模型還可用于駕駛室布置，在CATIA中各自建立各部分的幾何模型，并裝配到一起，設定參數來控制HPM的角度和姿勢，見圖2和表2，參數的含義參見文獻[15]。裝配后的模型在DMU(digitalmockup)模塊中驗證機構的運動，尤其是檢驗腰部支撐量的變化能否體現在背板機構上、尺寸的變化是否正確等。HPM幾何模型主要尺寸的驗證如圖3所示。

圖2 H點測量裝置幾何模型

軀干部機構主要驗證腰部支撐量，在不同變化范圍內進行參數化調節，且調節范圍可與H點裝置保持一致，軀干部機構的驗證如圖4所示。

表2 H點裝置幾何模型控制參數

圖4 軀干部機構的驗證

圖3 主要尺寸的驗證

2.2 有限元建模

基于幾何模型建立了有限元模型。之前對幾何模型進行了必要的簡化。通過HyperMesh中幾何模型簡化工具，將模型中無關緊要、對分析結果影響不大或對網格劃分造成困難的幾何特征移除，從而使零部件幾何特征更加簡潔，降低建模難度。圖5為H點測量裝置有限元模型。

簡化后對模型進行網格劃分：板類結構采用10mm的殼單元進行劃分，實體結構采用4mm的四面體單元進行劃分，最終創建的H點測量裝置有限元模型如圖6所示。與座椅變形相比，H點裝置的變形量可忽略不計，故在定義材料屬性時，把H點裝置視為剛體。各部件力學特性是各向同性線彈性材料，彈性模量和泊松比均以配重的材質低碳鋼為標準，分別取為200GPa和0.28，根據上面提到的H點裝置各部分的質量，結合CATIA建模時測得各部件的體積得出相應的密度。座板和背板在屬性定義時，考慮幾何建模的方便性，密度設置為0，將其實際質量附加在配重上，可以減少工作量和計算時間。所有質量塊與其安裝結構之間采用“Tie”形式進行綁定約束，實體結構與對應的板類結構之間也采用“Tie”形式約束，防止移動，采用Hinge和Translator連接器模擬機械結構之間的運動關系，每對接觸面之間的摩擦因數為0.15，加載方式為對H點裝置施加重力場。

圖5 H點測量裝置有限元模型

圖6 裝配好的H點裝置有限元模型

2.3 模型的驗證

盡管所建立的HPM幾何模型很準確，但在有限元網格劃分時，模型的體積會發生變化，故有必要對HPM仿真模型各部分的質量進行驗證和校準。表3為校準后的HPM仿真模型的各部分質量。與表1對比可見，HPM仿真模型的各部分質量均在允許誤差范圍之內。

3 H點裝置-座椅界面壓力仿真

3.1 座椅有限元建模

基于座椅幾何模型進行有限元建模。座椅的幾何模型如圖7(a)所示。對于H點裝置-座椅界面間壓力及其分布有影響的主要是海綿形狀，因此，忽略與本文關系不大的座椅內部結構(骨架、調節機構等，海綿背面沒有彈簧等彈性元件)，只保留了座椅的海綿外部輪廓。將幾何模型導入HyperMesh中進行網格劃分，建立的有限元模型如圖7(b)所示。海綿采取邊長為10mm的四面體網格進行單元劃分，以獲得較高的計算效率[16]。

圖7 座椅幾何和有限元模型

3.2 海綿材料模型

目前汽車上廣泛采用的座椅海綿材料是聚氨酯泡沫塑料，具有較強的物理非線性、幾何非線性，而彈性泡沫材料具有高度非線性的本構模型，承受壓力載荷作用時能體現出大變形特性。所以本文中采用超彈性泡沫材料描述座椅海綿材料本構關系，并模擬其較強的物理和幾何的非線性特性。超彈性泡沫材料的應變能函數為

式中：N為應變能函數階數；ui，αi和βi為依賴于溫度的材料參數；λi為主伸長率，其中i＝1，2，3；Jel為彈性體積比。

采用2階應變能函數(N＝2)。為了更加真實地模擬座椅海綿的屈服過程，將該材料泊松比設置為0，以忽略座椅材料的側向抵抗效果。參照文獻[17]和文獻[18]，海綿材料本構關系通過單軸壓縮試驗數據和剪切試驗數據來定義，如圖8所示，在ABAQUS軟件中通過最小二乘法來擬合應變能函數中的各參數。本研究只關心H點裝置落座至穩定時的壓力分布情況，不關心座椅回彈時的壓力分布情況。

圖8 海綿材料特性曲線

3.3 邊界條件和仿真計算

接觸情況盡可能真實地模擬實際情況并保證有限元模型的準確性，H點裝置模型與座椅模型和H點裝置模型腳部與地面之間的接觸均采用“罰函數”的方法進行控制。H點裝置與座椅之間采用面-面的接觸方式，考慮到兩者之間的摩擦力，切向屬性設置為罰函數的摩擦公式，摩擦因數為0.3。在面與面接觸時，剛性面設置為主面，可變形面為從面。H點裝置比座椅剛性大，所以H點裝置為主面。座椅模型的坐墊海綿底面和靠背海綿底面約束全部自由度，保證在仿真時座椅保持不動。H點裝置模型在座椅上的加載方式為重力加載。

3.4 仿真結果驗證

利用H點裝置進行壓力分布試驗，以驗證建立的H點裝置仿真模型的準確性。H點裝置和座椅參見圖9。試驗和仿真得到的壓力分布云圖見圖10。將位于平行于矢狀面且通過坐骨下方節點的斷面(關鍵斷面)內的壓力分布曲線進行對比，結果如圖11所示。由圖可知，仿真與測試結果的趨勢基本一致。仿真得到的壓強略大于試驗結果，其原因是處于H點裝置與座椅海綿之間的壓力傳感器(墊)加大了座椅表面剛度的緣故。

圖9 H點裝置實物模型

圖10 壓力分布試驗與仿真結果對比

圖11 關鍵斷面內的壓力分布仿真與試驗結果對比

4 應用

4.1 座椅參數測量仿真試驗

H點裝置主要用于駕駛室和座椅布置參數的測量。在基于人-椅間壓力分布仿真的座椅舒適性研究中，如果座椅海綿造型或者布置參數發生變化，人-椅間壓力分布也會發生改變。為在不制造實物的條件下能夠得知座椅布置參數，利用H點裝置仿真的方法進行測量。為驗證這種方法的準確性，采用某款座椅實物，將坐墊角和靠背角分別調整到一定角度，方案見表4，共25組試驗，并利用H點裝置仿真測量對應的角度。座椅出廠時的坐墊角和靠背角分別為14°和22°，仿真測得角度分別為13.8°和21.8°。對比其它情況下的仿真與試驗結果，驗證仿真的準確性。限于篇幅，圖12給出了坐墊角為14°時調整靠背角，以及靠背角為19°時調整坐墊角得到的結果。從圖12可見，仿真結果與實際測量結果基本吻合，角度相差不超過2°。除坐墊和靠背角外，還可仿真測量H點位置和座椅腰部支撐量的大小。

表4 驗證方案(°)

4.2 基于壓力分布的座椅舒適性評價

H點裝置的另一重要用途是模擬真人與座椅之間的相互作用，其主要表現形式是人-椅間壓力分布，常被用來對座椅靜態舒適性進行評價。利用H點裝置的仿真模型進行壓力分布仿真，通過仿真得到的壓力分布與理想壓力分布的對比，來評價座椅的不舒適性：

圖12 仿真與實測角度對比

式中：D為不舒適性；wi為區域i的權系數；mi為區域i中接觸單元的個數；pij為區域i中接觸單元j處的壓強；pIi為區域i處的理想壓強。

圖13為典型的理想壓力分布[19]。

圖13 理想壓力分布圖

5 結論

研究建立H點裝置有限元模型，通過仿真獲得人-椅間壓力分布和座椅布置參數(H點位置、坐墊角、靠背角、腰部支撐量)，驗證了該方法的可行性和準確性。由于建模時存在一定的簡化，建模和計算精度還有待于進一步提高。初步提出了基于理想壓力分布的座椅靜態舒適性評價模型，可很好地結合H點裝置仿真得到的壓力分布來評價座椅靜態舒適性。下一步將通過實際的應用來識別模型參數，并對模型的合理性進行驗證。

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A Research on the Measurement of Pressure Distribution and Seat Parameters and Comfort Evaluation Based on HPM Simulation

Chen Junhao，Ren Jindong，Liu Tao，Hua M eng＆Liu Honghao
College of Automotive Engineering，Jilin University，Changchun 130022

In order to study the pressure distribution of human body-seat interface and the influence of seat parameters on its static comfort，a finite elements(FE)model for H-pointmachine(HPM)is constructed based on corresponding regulations，and themain dimensions of geometricmodel，themass of each part，the lumbar support adjustments and the kinematic posture of trunk are verified.Then the grid mesh of geometric model are generated，and boundary conditions are defined according to real situations，with the correctness of FE model validated.The simplified seat FEmodel is established and assembled with HPM FEmodel，boundary conditions are applied based on actual contact situations，and a simulation on pressure distribution is conducted with its results verified by tests. Finally with a real example of seat，the feasibility of using FE simulation of HPM tomeasure seat parameters and pressure distribution is verified，and a evaluation model for the static comfort of seat based on pressure distribution simualted is put forward.

H-pointmachine；pressure distribution；seat parameters；static com fort

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.05.017

原稿收到日期為2016年5月13日，修改稿收到日期為2016年7月4日。

任金東，副教授，E-mail：renjindong＠163.com。