汽车驾驶员座椅舒适性仿真方法

叶佳桐 谭研 车欣禹 金晓萍

（中国农业大学）

用户对汽车舒适性的要求越来越高，座椅是影响驾驶员舒适性的主要因素之一。目前，CAE已被很多行业用来改善产品设计或协助解决工程问题。在早期设计阶段对座椅舒适性进行预测性分析能够缩短设计周期，节省成本。驾驶员乘坐时，会在人-椅界面[1-2]上形成特定的体压分布，这种分布形式会随着座椅硬度和外形等因素的影响而变化。所以体压分布特征是座椅舒适性有效的客观评价手段之一[3]。文章利用扫描仪生成点云来创建模型，并通过在ANSYS中建立座椅和人体有限元网格模型进一步对座椅及人体进行受力分析，从而得到不同区域所受压力，通过对比仿真与试验的人体-座椅接触界面压力分布特性，来寻找座椅舒适度的快捷评判标准。

1 几何模型建立

传统的三维软件构建几何模型的方法只能根据测量所得的主要尺寸来大致描摹出座椅或人体的几何模型，并不可能达到逼真地反映座椅或人体各部分曲面与形态的目的，而模型相对于人体、座椅不同部位尺寸及结构的变化，也会对仿真结果的真实性带来一定的阻碍，所以文章选用模型三维扫描，然后运用逆向处理将其制作成3D模型的方法来实现更加精确的分析效果。真实的对象可以通过如：CMMS、激光扫描仪、结构光源转换仪或者X射线断层成像这些3D扫描技术进行尺寸测量。这些测量数据通常被认作是点集，由于点集缺乏拓扑信息，并不像3D软件里的模型那样直观，所以它们通常会被制作成更有用格式，例如：多边形网格、NURBS曲线或者CAD模型。可进行逆向处理的软件主要有 CATIA，Imageware，Geomagic Studio，Copy-CAD。文章选用了现在较为普遍的CATIA软件进行逆向处理，其操作方便灵活。

CATIA需要运用的模块主要包括零件设计（PDG）、创成式外形设计（GSD）、快速曲面重建（QSR）、自由模式（FS）、线架与曲面设计（WSF）及界面点云处理（DSE）。其中：DSE模块主要用作网格分析、网格缩减、自由边线的建立及曲面分割；GSD模块主要用作曲线曲面整合、曲面光顺及曲线曲面拉伸；WSF模块主要用作辅助点线面建立和填充；QSR模块主要用作曲率分析和贴面；FS模块主要用作初始曲面建立、曲面桥接及曲面对称；PDG模块主要用作零件实体化。

三维扫描得到的点云图中存在了实际座椅的一些不规则及不正常的曲面变化，比如凹坑和凹槽等。在CATIA逆向工程中，需合理考虑理想座椅模型形状，结合实际座椅点云图，进行合理的修正，做出特征曲线，对模型进行细节优化，使其结构规整，合乎逻辑。此时修改的原则是，保证人体与座椅的接触面和实际模型具有较高的相似度，曲面各部分保证曲率的连续性与近似程度，而其他不进行体压分布处理的部分在保证不影响仿真结果的情况下只做成简单的平面或拼接曲面，例如，对于座椅的底面和后面。类似的，在人体模型的逆向处理过程中，由于人体大腿与臀部的上表面并不会参与接下来的体压分布分析，故而进行适当的简化不仅不会影响试验可信度，还可以大大提高建模的效率，在实际生产中可起到加快企业研发速率的作用。

CATIA逆向完成后形成的零件模型与三维扫描的模型或多或少存在一定差异，但是最终模型结果与三维扫描得到的点云图一起显示时，点云图可在模型表面显示出近50%的面积，而座椅与人体的接触面可以近乎真实地反映两者的接触情况，满足逆向要求，因此CATIA逆向得到的座椅模型为可用模型，具有实际意义。图1示出一组人体和座椅的装配图。

图1 人体和座椅装配图

2 有限元模型及分析

在ANSYS中构建有限元模型，并利用发泡材料特性和物理特性，对人椅接触界面体压分布特征参数进行分析，而体压分布结果的可行性与可信度可通过3个方面来反映：1）人椅接触界面平均压力；2）人椅接触界面最大压力；3）人椅接触界面相对应区域的尺寸及压力分布情况[4]。而有限元模型的构建及相关参数的选择对准确而真实地反映人椅接触界面体压分布规律具有较大影响。

有限元模型是非线性分析过程中决定仿真精度和稳定性的重要因素。从几何模拟角度看，采用四面体单元进行空间型面离散化较为灵活、方便与准确，尤其易于逼近复杂的过渡面，在许多CAD/CAM软件中常常采用四面体单元，用作基本的离散化单元。而网格单元的大小又决定着网格划分的效率和收敛度，由于ANSYS网格划分效率较高，又考虑到计算的精确性，本仿真过程中采用最大的网格划分程度。图2示出以mesh功能进行的模型网格划分。

图2 人体-座椅耦合模型的网格划分

材料参数的选择是影响模拟成败的关键因素，材料参数的合理与否决定载荷与变形是否符合实际情况。真实人体材料极为复杂，主要分为皮肤和骨骼两部分，而人体骨骼部分的骨头模型是使用刚性构造（不变形）材料经过体积质量调整而来的准确的骨块。骨骼经历变形的程度很小，因此忽略骨骼的影响。真实人体皮肤是由多种成分组成的复合结构，根据皮肤的力学特性，将皮肤作为一个线性弹性各向同性近似可压缩材料。由于对活体进行拉伸来获取杨氏模量和泊松比等参数的方法是比较困难的，所以通过查阅大量文献[5]，得到各项参数来作为参考，如表1所示。

表1 人椅模型赋值参数表

在定义接触方式时，考虑到座椅表面比人体表面要大很多，而且体压分布图显示在座椅表面，因而将人体臀部设置为接触面而座椅设置为目标面。此外，在忽略皮肤之间衣物和坐垫的相互作用下，将摩擦因数设置为0.2。对仿真模型施加载荷时，为了之后能与试验结果进行对比，并提高仿真结果准确性，在此采用对模拟环境施加重力场的方式，生成人体-座椅压力分布图，如图3所示，可观察到应力为臀部处较大，从臀部至腿部，应力值逐渐降低，压力整体分布均匀。试验中采用Tekscan CONFORMatTM的压力测试垫来采集坐垫上的压力分布。单个测试垫上共有1 024（32×32）个厚度为1.78 mm的力传感器，可以测量高达33.3 kPa的压力，测试垫的可测试面积为471.4 mm×471.4 mm。压力垫表面有布覆盖，试验中固定压力垫的边缘，以使得压力垫在测试过程中不出现滑移。体压分布测试垫的布置示意图，如图4a所示，测试结果，如图4b所示。

图3 软件分析座椅受力分布图

图4 重卡汽车座椅压力测量与结果

3 仿真与实测结果对比

为方便进一步观察，做出从大腿前端至臀部纵切面上，如图5a所示的仿真压力分布曲线与实测压力分布曲线，从图5a中可以很容易地看出，两压力分布曲线的峰值位置几乎相同，人椅接触界面各区域的压力数值及变化趋势趋于一致。再做出臀部横切面上的仿真压力分布曲线与实测压力分布曲线，如图5b所示，两曲线相对于中间点压力变化规律极为相似，两侧峰值处于同一位置，但由于右脚时刻处于踩住制动踏板或油门踏板的情形，故图5b中曲线最低点右侧区域平均数值较大。图5中两曲线变化趋势极强的相关性表征通过该方法创建的模型对于评价人体舒适性具有可行性。该模型具有一定的实际意义，可用于进一步的汽车座椅舒适性分析。

图5 汽车座椅仿真与实测压力分布曲线

4 结论

文章通过人体-座椅仿真压力分布与实测压力分布的对比，验证了此种虚拟仿真方法可作为汽车驾驶员座椅舒适性评测的一种可靠性手段。与传统的座椅舒适性判断相比，在时间与成本被大量压缩的前提下，样本可重复性与测试精确度反而得到了有效的提升。在产品设计阶段可以根据实际人体-座椅体压分布规律进行模型的改进和优化，从而为汽车座椅舒适性进一步的提升提供有力的科学依据。