關(guān)于人體生物力學(xué)建模與仿真的座椅舒適性設(shè)計(jì)方案詳解

基于生物力學(xué)的座椅舒適性

乘坐舒適性是評價(jià)汽車性能的主要指標(biāo)，座椅舒適性是駕乘體驗(yàn)感的主要影響因素術(shù)。汽車誕生至今，經(jīng)過多年的發(fā)展，目前汽車座椅設(shè)計(jì)開發(fā)流程、方法、標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)相對完善，但在座椅設(shè)計(jì)中仍然存在一些問題：人體數(shù)據(jù)缺乏，因此缺乏直接應(yīng)用于座椅舒適性設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)， 缺乏舒適性驅(qū)動(dòng)下面向中國人體生理結(jié)構(gòu)的座椅正向設(shè)計(jì)技術(shù)，缺乏一體化的座椅舒適性設(shè)計(jì)分析優(yōu)化解決方案，不能保證高效、科學(xué)地設(shè)計(jì)座椅舒適性。

為了達(dá)到車輛最大的舒適性，有兩種舒適性的定義：靜態(tài)舒適性和動(dòng)態(tài)舒適性。靜態(tài)舒適性包括短期舒適性（坐姿舒適性）和長期舒適性（人 - 椅界面舒適性）

人體生物力學(xué)建模與仿真

已有的人體模型在使用過程中存在一些問題：功能不完善、使用不方便、無自主性，更不方便與設(shè)計(jì)參數(shù)聯(lián)系起來。而大規(guī)模仿真、導(dǎo)入導(dǎo)出以及生物力學(xué)計(jì)算及設(shè)計(jì)優(yōu)化都需要建立適合中國人體尺寸、數(shù)據(jù)庫。因此進(jìn)行數(shù)字人體建模與仿真及其重要。

其研究內(nèi)容包括人群建模及樣本生成、人體尺度預(yù)測、人體運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、人體生物力學(xué)建模以及姿勢模型。

首先要進(jìn)行人群建模 - 用以表達(dá)目標(biāo)人群，并且根據(jù)目標(biāo)人群生成樣本。

其次根據(jù)人體尺度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與預(yù)測。人群人體尺寸分布特點(diǎn)：正態(tài)性、相關(guān)性、分散性（離散性）人體尺度預(yù)測：多元線性回歸、分層回歸；基于體型分類的分層回歸；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；徑向基函數(shù)插值；各種分類器。

然后根據(jù)目標(biāo)人群的人體尺度參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)建模，目標(biāo)人群人體尺度參數(shù)包括身高、坐高、BMI，設(shè)計(jì)參數(shù)包括乘坐空間布置參數(shù)（駕駛室布、后排空間），座椅設(shè)計(jì)參數(shù)（座墊角、靠背角、腰部支撐量）和座椅材料參數(shù)（海綿發(fā)泡材料、蒙皮材料）。

參數(shù)驅(qū)動(dòng)的人體有限元生物力學(xué)建模：存在的問題有建模工作量大、放縮不方便、不準(zhǔn)確、建模自動(dòng)化程度差。

利用幾何縮放技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)：

? 均勻縮放

? 人體尺寸導(dǎo)向的縮放

? 非均勻縮放 – 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) -RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) – 網(wǎng)格縮放法 – RBF 插值

基于生物力學(xué)的座椅舒適性設(shè)計(jì)

研究方法有試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)、姿勢預(yù)測（反向運(yùn)動(dòng)學(xué)）、姿勢評價(jià)。

存在的問題包括以下三個(gè)方面

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)：范圍過大或不合適、對影響因素研究不徹底

姿勢預(yù)測：①反向運(yùn)動(dòng)法，不夠真實(shí)；②試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法，預(yù)測效果不佳、平均姿勢

姿勢評價(jià)：①首選角度法，過于主觀；②生物力學(xué)法，模型不完善，不清楚機(jī)理

（1）坐姿舒適性仿真及評價(jià)

? 前提假設(shè) – 舒適姿勢下人體生物力學(xué)負(fù)荷的分布

? 假設(shè)的驗(yàn)證

? 初步的規(guī)律及應(yīng)用

? 目前研究

– 舒適姿勢下人體生物力學(xué)負(fù)荷的分布

– 識別對舒適性敏感的人體生物力學(xué)負(fù)荷

? 肌肉力 / 肌肉活勱度 / 關(guān)節(jié)力 / 關(guān)節(jié)扭矩

– 舒適姿勢的分布建模

? 數(shù)據(jù)源：中國汽車技術(shù)中心、自己測量

? 數(shù)據(jù)處理及建模：相關(guān)分析、方差分析、多變量回歸：

（姿勢基本統(tǒng)計(jì)分析；姿勢變量的相關(guān)分析；姿勢變量的降維；姿勢的分布檢驗(yàn)；多維姿勢分布特征參數(shù)計(jì)算；姿勢變量隨設(shè)計(jì)變量；人體尺寸的變化規(guī)律）

（3）坐姿舒適性仿真及評價(jià)

? 舒適姿勢的分布建模 – 舒適姿勢的分布

? 舒適姿勢的分布建模 – 坐姿模型

?RAMSIS 駕駛姿勢模型 ?密西根大學(xué)駕駛姿勢模型 ?中國最新姿勢模型 ?吉林大學(xué)駕駛姿勢模型 ?客車乘員姿勢模型 ?其它姿勢模型

（1）- 椅界面生物力學(xué)仿真及評價(jià)

參數(shù)化人體生物力學(xué)建模 - 座椅有限元建模

- 模型裝配 - 生物力學(xué)仿真

（2）人 - 椅界面生物力學(xué)仿真及評價(jià)

人 - 椅界面舒適性評價(jià)

評價(jià)因子：人體負(fù)荷——壓強(qiáng)、摩擦力、組織應(yīng)力

分區(qū)特征參數(shù)：峰值壓強(qiáng)、負(fù)荷比例、平均壓強(qiáng)等

優(yōu)化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)變量

– 座椅型面（形狀及材料，包括發(fā)泡及面料）

– 座椅設(shè)計(jì)參數(shù)（座椅高度、座墊角、腰部支撐量等）

– 乘坐環(huán)境參數(shù)（座椅位置、操縱件位置等）

優(yōu)化目標(biāo) – 人體負(fù)荷分布最合理

基于客觀壓力分布的座椅評價(jià)

實(shí)物實(shí)測方法：標(biāo)準(zhǔn)加載裝置、規(guī)范的加載步驟、科學(xué)的體壓分布評價(jià)。

仿真方法：標(biāo)準(zhǔn)加載裝置有限元建模、科學(xué)、準(zhǔn)確的邊界條件設(shè)置、Abaqus 顯式有限元分析計(jì)算、科學(xué)的體壓分布評價(jià)

部分案例

駕駛員體壓特性客觀量化評價(jià)

人體生理參數(shù)測量

? 體壓分布 ? 體表肌電 ?心電 ? 腦電

乘用車乘坐舒適性研究

編輯：hfy