基于H点装置仿真的压力分布与座椅参数测量和舒适性评价的研究

陈俊豪，任金东，刘 涛，华 猛，刘洪浩

(吉林大学汽车工程学院，长春 130022)

基于H点装置仿真的压力分布与座椅参数测量和舒适性评价的研究

陈俊豪，任金东，刘 涛，华 猛，刘洪浩

(吉林大学汽车工程学院，长春 130022)

为研究人-椅界面的压力分布座椅不同参数对座椅静态舒适性的影响，基于相关标准构建了H点装置有限元模型，验证了几何模型的主要尺寸、各部分的质量、腰部调节量和躯干运动学姿态；对几何模型进行了网格划分，并定义了接近真实情况的边界条件，对有限元模型的准确性进行了验证。建立了简化的座椅有限元模型，并将H点装置和座椅有限元模型装配在一起；按照实际接触情况施加边界条件，进行了压力分布仿真，并通过试验验证了仿真结果的准确性。最后以某一座椅实例，验证了利用H点装置有限元仿真进行座椅参数和压力分布测量的可行性，并提出了一种基于H点装置仿真压力分布的座椅静态舒适性评价模型。

H点装置；压力分布；座椅参数；静态舒适性

前言

人-座椅间的界面压力是度量座椅舒适性的重要指标[1-3]，其确定有试验和仿真两种方法。试验方法主要难点在于可重复性差，影响因素多且复杂。对于真人试验，需要综合不同人的压力分布结果，还受主观因素的影响。用实物代替真人试验通常使用假臀、假腿来模拟真人，但假臀和假腿等实物不能真实地模拟人体轮廓，且背部轮廓有时不能与靠背很好地贴合，尤其是座椅存在腰部支撑时。相比试验方法，仿真方法具有成本低、周期短、不受客观因素影响的优点。目前国外众多学者建立人体有限元模型来仿真人-椅间的相互作用[4-10]，所建立的人体模型与真人相似度很高，但存在建模和仿真工作量大、难以综合各种身材压力分布结果来评价座椅舒适性的问题，且无法用于对标分析。

鉴于实物评价和真实人体有限元仿真在评价座椅舒适性方面存在的不足，探索一种重复性好、能用于座椅设计初期快速计算和评价座椅压力分布的方法很有价值[11-13]。H点装置(H point machine，HPM)是车身布置和测量的工具，对驾驶室人机工程学设计和参数测量、辅助驾驶室内部基准点的定位有重要意义。本文中探索利用H点装置有限元模型进行仿真计算来测量座椅布置参数、计算人-椅压力分布，进而评价静态舒适性的方法。

1 H点装置简介

H点装置对于驾驶室人机工程学设计与测量和辅助驾驶室内部基准点的定位具有重要意义。HPM-Ⅱ型H点装置主体部分由鞋、小腿、大腿、座板和躯干组成，各部分均可拆卸。胸部、腰部、大腿、盆骨等处都装有配重块，模拟真实人体的质量。表1列出了H点装置的各部件质量。图1为H点测量装置的主要尺寸[14]。

表1 H点测量装置各部分质量

躯干和座板与座椅接触的部位具有与人体外轮廓相似的形状。在座板和躯干上还有用于度量坐垫角、躯干角、腰部支撑量、H点位置的基准或标尺。H点装置的躯干和座板部分主要依据美国中等身材男性轮廓制造，腿部长度可调节，以便于根据不同设计目标进行布置或测量。

测量驾驶室或座椅参数是H点装置的主要功能。HPM-Ⅱ型H点装置在测量座椅参数时可以脱离驾驶室布置环境，且可不安装腿部，相对于老版本的H点装置(OsCar)有了很大改进。

图1 H点装置的主要尺寸

2 H点装置有限元建模

2.1 几何建模

通过测绘建立H点装置几何模型。为保证几何模型还可用于驾驶室布置，在CATIA中各自建立各部分的几何模型，并装配到一起，设定参数来控制HPM的角度和姿势，见图2和表2，参数的含义参见文献[15]。装配后的模型在DMU(digitalmockup)模块中验证机构的运动，尤其是检验腰部支撑量的变化能否体现在背板机构上、尺寸的变化是否正确等。HPM几何模型主要尺寸的验证如图3所示。

图2 H点测量装置几何模型

躯干部机构主要验证腰部支撑量，在不同变化范围内进行参数化调节，且调节范围可与H点装置保持一致，躯干部机构的验证如图4所示。

表2 H点装置几何模型控制参数

图4 躯干部机构的验证

图3 主要尺寸的验证

2.2 有限元建模

基于几何模型建立了有限元模型。之前对几何模型进行了必要的简化。通过HyperMesh中几何模型简化工具，将模型中无关紧要、对分析结果影响不大或对网格划分造成困难的几何特征移除，从而使零部件几何特征更加简洁，降低建模难度。图5为H点测量装置有限元模型。

简化后对模型进行网格划分：板类结构采用10mm的壳单元进行划分，实体结构采用4mm的四面体单元进行划分，最终创建的H点测量装置有限元模型如图6所示。与座椅变形相比，H点装置的变形量可忽略不计，故在定义材料属性时，把H点装置视为刚体。各部件力学特性是各向同性线弹性材料，弹性模量和泊松比均以配重的材质低碳钢为标准，分别取为200GPa和0.28，根据上面提到的H点装置各部分的质量，结合CATIA建模时测得各部件的体积得出相应的密度。座板和背板在属性定义时，考虑几何建模的方便性，密度设置为0，将其实际质量附加在配重上，可以减少工作量和计算时间。所有质量块与其安装结构之间采用“Tie”形式进行绑定约束，实体结构与对应的板类结构之间也采用“Tie”形式约束，防止移动，采用Hinge和Translator连接器模拟机械结构之间的运动关系，每对接触面之间的摩擦因数为0.15，加载方式为对H点装置施加重力场。

图5 H点测量装置有限元模型

图6 装配好的H点装置有限元模型

2.3 模型的验证

尽管所建立的HPM几何模型很准确，但在有限元网格划分时，模型的体积会发生变化，故有必要对HPM仿真模型各部分的质量进行验证和校准。表3为校准后的HPM仿真模型的各部分质量。与表1对比可见，HPM仿真模型的各部分质量均在允许误差范围之内。

3 H点装置-座椅界面压力仿真

3.1 座椅有限元建模

基于座椅几何模型进行有限元建模。座椅的几何模型如图7(a)所示。对于H点装置-座椅界面间压力及其分布有影响的主要是海绵形状，因此，忽略与本文关系不大的座椅内部结构(骨架、调节机构等，海绵背面没有弹簧等弹性元件)，只保留了座椅的海绵外部轮廓。将几何模型导入HyperMesh中进行网格划分，建立的有限元模型如图7(b)所示。海绵采取边长为10mm的四面体网格进行单元划分，以获得较高的计算效率[16]。

图7 座椅几何和有限元模型

3.2 海绵材料模型

目前汽车上广泛采用的座椅海绵材料是聚氨酯泡沫塑料，具有较强的物理非线性、几何非线性，而弹性泡沫材料具有高度非线性的本构模型，承受压力载荷作用时能体现出大变形特性。所以本文中采用超弹性泡沫材料描述座椅海绵材料本构关系，并模拟其较强的物理和几何的非线性特性。超弹性泡沫材料的应变能函数为

式中：N为应变能函数阶数；ui，αi和βi为依赖于温度的材料参数；λi为主伸长率，其中i＝1，2，3；Jel为弹性体积比。

采用2阶应变能函数(N＝2)。为了更加真实地模拟座椅海绵的屈服过程，将该材料泊松比设置为0，以忽略座椅材料的侧向抵抗效果。参照文献[17]和文献[18]，海绵材料本构关系通过单轴压缩试验数据和剪切试验数据来定义，如图8所示，在ABAQUS软件中通过最小二乘法来拟合应变能函数中的各参数。本研究只关心H点装置落座至稳定时的压力分布情况，不关心座椅回弹时的压力分布情况。

图8 海绵材料特性曲线

3.3 边界条件和仿真计算

接触情况尽可能真实地模拟实际情况并保证有限元模型的准确性，H点装置模型与座椅模型和H点装置模型脚部与地面之间的接触均采用“罚函数”的方法进行控制。H点装置与座椅之间采用面-面的接触方式，考虑到两者之间的摩擦力，切向属性设置为罚函数的摩擦公式，摩擦因数为0.3。在面与面接触时，刚性面设置为主面，可变形面为从面。H点装置比座椅刚性大，所以H点装置为主面。座椅模型的坐垫海绵底面和靠背海绵底面约束全部自由度，保证在仿真时座椅保持不动。H点装置模型在座椅上的加载方式为重力加载。

3.4 仿真结果验证

利用H点装置进行压力分布试验，以验证建立的H点装置仿真模型的准确性。H点装置和座椅参见图9。试验和仿真得到的压力分布云图见图10。将位于平行于矢状面且通过坐骨下方节点的断面(关键断面)内的压力分布曲线进行对比，结果如图11所示。由图可知，仿真与测试结果的趋势基本一致。仿真得到的压强略大于试验结果，其原因是处于H点装置与座椅海绵之间的压力传感器(垫)加大了座椅表面刚度的缘故。

图9 H点装置实物模型

图10 压力分布试验与仿真结果对比

图11 关键断面内的压力分布仿真与试验结果对比

4 应用

4.1 座椅参数测量仿真试验

H点装置主要用于驾驶室和座椅布置参数的测量。在基于人-椅间压力分布仿真的座椅舒适性研究中，如果座椅海绵造型或者布置参数发生变化，人-椅间压力分布也会发生改变。为在不制造实物的条件下能够得知座椅布置参数，利用H点装置仿真的方法进行测量。为验证这种方法的准确性，采用某款座椅实物，将坐垫角和靠背角分别调整到一定角度，方案见表4，共25组试验，并利用H点装置仿真测量对应的角度。座椅出厂时的坐垫角和靠背角分别为14°和22°，仿真测得角度分别为13.8°和21.8°。对比其它情况下的仿真与试验结果，验证仿真的准确性。限于篇幅，图12给出了坐垫角为14°时调整靠背角，以及靠背角为19°时调整坐垫角得到的结果。从图12可见，仿真结果与实际测量结果基本吻合，角度相差不超过2°。除坐垫和靠背角外，还可仿真测量H点位置和座椅腰部支撑量的大小。

表4 验证方案(°)

4.2 基于压力分布的座椅舒适性评价

H点装置的另一重要用途是模拟真人与座椅之间的相互作用，其主要表现形式是人-椅间压力分布，常被用来对座椅静态舒适性进行评价。利用H点装置的仿真模型进行压力分布仿真，通过仿真得到的压力分布与理想压力分布的对比，来评价座椅的不舒适性：

图12 仿真与实测角度对比

式中：D为不舒适性；wi为区域i的权系数；mi为区域i中接触单元的个数；pij为区域i中接触单元j处的压强；pIi为区域i处的理想压强。

图13为典型的理想压力分布[19]。

图13 理想压力分布图

5 结论

研究建立H点装置有限元模型，通过仿真获得人-椅间压力分布和座椅布置参数(H点位置、坐垫角、靠背角、腰部支撑量)，验证了该方法的可行性和准确性。由于建模时存在一定的简化，建模和计算精度还有待于进一步提高。初步提出了基于理想压力分布的座椅静态舒适性评价模型，可很好地结合H点装置仿真得到的压力分布来评价座椅静态舒适性。下一步将通过实际的应用来识别模型参数，并对模型的合理性进行验证。

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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

原稿收到日期为2016年5月13日，修改稿收到日期为2016年7月4日。

任金东，副教授，E-mail：renjindong＠163.com。