面向体压分布的人椅系统建模*

黄深荣,张志飞,贺岩松,徐中明,袁 琼

(1.重庆大学，机械传动国家重点试验室,重庆 400030； 2.重庆大学汽车工程学院,重庆 400030)



2015146

面向体压分布的人椅系统建模*

黄深荣,张志飞,贺岩松,徐中明,袁 琼

(1.重庆大学，机械传动国家重点试验室,重庆 400030； 2.重庆大学汽车工程学院,重庆 400030)

以Hybrid III假人和某款乘用车座椅为基础，建立不同网格尺寸的人椅系统有限元模型，通过对其体压分布结果进行分析和对比，确定了满足要求的模型网格尺寸。然后对人体模型的体段质量和人椅系统的体压分布结果进行验证。在此基础上，计算了人椅系统模型的体压分布，分别分析和对比了良好坐姿和两种不良坐姿状态下的体压分布，包括最大压力和平均压力等参数。结果表明，所建立的模型可准确反映人体体压分布特征，可为座椅的设计和乘坐舒适性评价提供参考依据。

汽车座椅；人椅系统；体压分布；乘坐舒适性

前言

车辆舒适性是消费者选购和衡量产品的重要因素和依据，座椅作为人机交互的主要界面，很大程度上决定了汽车的乘坐舒适性，而座椅体压分布是影响舒适性最为重要的指标之一。

对座椅体压分布的研究，学者们提出了各种能够反映乘坐舒适性的体压分布指标[1]，通过实验得到体压分布的特征，验证了不同因素与舒适性的相关性[2-4]，而目前这些对座椅的研究主要依靠传统方法，基于实验台架研究[5-6]，在实物制作和实验修改上的花费太大。计算机技术的发展为其研究提供了一种新的方法，通过建立人体整体或者局部模型，并与座椅模型耦合，通过有限元分析得到体压和变形分布的结果[7-9]，然而人椅系统有限元模型，特别是人体模型的建立还不是很完善。

通过建立完整的人体模型，并对其进行了体段质量分布和体压分布验证，仿真分析并对比了汽车人椅系统模型在不同坐姿状态下的体压分布结果，得出各体压分布指标与乘坐舒适性的关系，可以为座椅设计提供依据。

1 人体模型的建立与验证

1.1 人体模型的建立

体压分布是由于驾乘人员在汽车座椅上作用的结果，所以人体模型的建立对分析结果至关重要。以美国第50百分位成年男子Hybrid III假人为基础，其主要尺寸和体质量相当于中国第95百分位男子[10]，该模型在尺寸和外形上与真人具有很高的生物仿真度，然而整个有限元模型的单元尺寸较大，网格划分粗糙，细节表现差。故须对其进行局部网格的修改和姿势的适当调整，得到符合分析要求的人体模型。

根据软件分析的特点和载荷工况的实际情况，对于人椅系统的静态舒适性分析，须保证人体与座椅接触区域的仿真度和网格的匹配性，人体各组织合适的刚度特性以及人体质量的合理分配。

首先，为适应有限元软件分析的需要，应使人体模型与座椅模型接触区域既能够正确反映体压分布情况，控制计算误差，又有较高的计算效率。

为正确选取人体模型的网格尺寸，采用不同的网格尺寸等级，对原始假人人体模型的躯干和大腿部分的肌肉网格进行细化，并分别进行体压分布计算，表1列出这5种模型的单元、节点数目和分析计算时间，表中“尺寸等级”表示网格基本尺寸。

表1 人体模型各尺寸等级信息

计算得到5个模型的体压分布结果如图1所示。从图1看出，网格越细，分析结果精度越高，但是计算所用时间越多。同时考虑建模和分析的经济性和准确性，则10mm为其中较优的尺寸等级。从表1可知，10和15mm尺寸等级的模型计算时间很相近，10mm等级的模型在计算时间不太大的情况下，又能够正确反映真实的体压结果，所以选用该尺寸等级对人体模型网格进行细化。

骨骼的建模，须对其结构进行相应的简化处理：(1)忽略一些对分析没有影响的部位，如指骨和脚趾骨等骨骼结构；(2)简化一些不规则骨骼，如上肢和下肢骨骼进行直化处理，用圆管模拟；(3)关键部位通过近似模拟得到，如胸腔的建立，左右两侧建立两个对称的肋骨体，前面与胸骨体相连，后面再固定在胸脊柱上，中间形成空腔。根据骨骼结构的不同选用不同的单元尺寸，上肢骨和下肢骨用壳单元模拟，在长宽方向的基准尺寸各为15和10mm，肋骨和脊椎骨主要用体单元建立，尺寸为20mm左右。

然后对人体各组织赋予不同的属性。由于人体组织很多，包括骨骼、皮肤、肌肉、血管、神经等，其表现的材料特性不一样，在与座椅接触过程中不同的刚柔性能会导致接触状态的差异，从而对结果产生影响。然而对每一种组织定义各自材料属性较困难且没有必要。故在人体建模时，参照人体生理学结构，对人体主要的骨骼和软组织建模，如图2所示。

所有骨骼简化为一种各向同性的弹性材料，其密度为1 700kg/m3，弹性模量为16.7GPa，泊松比为0.3。

肌肉软组织是一种具有很强黏弹性的非线性材料。在有限元软件中非线性材料使用非线性各向同性可压缩超弹性的材料本构模型，该模型是通过给定材料的应力应变曲线进行定义的。人椅系统静态体压分析中，肌肉的变形属于准静态应变，根据文献[11]中的实验研究结果，测得肌肉在低应变率下的应力应变曲线，同一应变处的应力值采用平均值±标准方差的形式给出，而且所得曲线数据由7组实验数据平均得到，由此确定肌肉的应力应变曲线如图3所示。

其他对接触状态不产生影响的软组织，如内脏和大脑等，用集中质量单元代替。

1.2 人体模型的验证

对建立的人体有限元模型，通过计算体段质量分布进行验证。

因为人椅系统的静态体压分布结果只受人体重力载荷的影响，所以人体模型各个体段的质量分布对结果影响很大，须对其体段质量分布进行验证。根据所设置的材料参数，计算得到模型各个体段的质量及其相对人体整体质量百分比，如表2所示。

表2 人体模型各体段质量及相对质量

将计算的人体质量数据与文献[12]中数据进行比较，如表3所示。

表3 各体段相对质量与国外资料比较 %

从表3中可见，所计算的模型各体段质量的相对值与国外学者所研究的数值相近，其相对质量的平均误差均在2%以下。所以计算所获得的人体各组织的比重准确、可信，建立的人体模型合理有效。它可以应用到以人体重力为主要载荷的人椅系统体压分布的分析中。

2 人椅系统模型

2.1 座椅模型

座椅模型是某乘用车驾驶员座椅，由骨架和泡沫垫组成。对座椅的建模，根据各部件对分析的贡献程度，采用类似的简化原则对座椅进行建模。靠背、座盆支架、座盆等座椅骨架使用壳单元模拟，头枕、靠背、坐垫等采用体单元模拟，网格尺寸均为8mm。

座椅骨架使用的材料主要为各向同性的St12钢板，密度为7 800kg/m3，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。

坐垫、靠背和头枕软垫使用的材料是泡沫材料，座椅泡沫材料的应力应变曲线也是以某轿车驾驶员软垫实际测得的材料特性曲线为依据，其应力应变曲线[13]如图4所示。

2.2 人椅系统模型的建立

将座椅模型和人体模型放在一起，参照SAE267C等相关标准，对人体在座椅中的坐姿进行调整，得到坐姿人椅系统模型。

本次分析属于高度非线性问题，包括材料非线性和由于接触约束导致的边界条件非线性。对模型施加边界约束和载荷条件，具体步骤如下。

(1) 约束施加 分别约束座椅4个地脚和双脚支撑垫板6个自由度；接触在有限元中是一类特殊不连续的约束，模型中均定义为“面对面”的接触方式，在双脚底部和脚支撑垫板，臀部和坐垫，背部与靠背，头部和头枕间定义4对接触。为使计算收敛，高效和准确地得到分析结果，还必须选择合适的时间步长、接触距离容限和偏斜系数等分析参数。

(2) 载荷施加 只考虑身体重力的载荷因素，因此给人椅系统模型施加垂直向下(负Z向)的重力加速度g，大小为9 800mm/s2，以模拟重力载荷。图5为加载完边界条件之后的有限元分析模型。

为验证所建立的人椅系统模型及其体压分布结果的正确性，对其进行静态体压分布分析，并根据座椅静态受力与人体质量比例，对计算的体压分布结果进行折算验证。

对人椅系统模型进行体压分布分析，并导出坐垫上全部承载点所受到的接触力，求和得到座椅坐垫上的总压力值为500.160N，人体总质量为76.64kg，则坐垫承载了人体总质量的66.53%，与文献[14]和文献[15]中的研究结果(坐垫受力占人体总质量的70%左右)相吻合，说明人椅系统模型和仿真结果是准确的。

3 不同坐姿体压分布仿真结果与分析

对体压分布描述，主要采用总压力、最大压力、平均压力、接触面积、不对称系数等参数作为评价指标[1]，根据人体工程学的研究，最舒适的体压分布一般原则是使人体质量以较大的支撑面积，较小的单位压力分布在坐垫上，压力分布从坐骨结节向外逐渐降低，无突变。

而这些体压指标对舒适度的影响最终都反映在最大压力和平均压力上面，所以选用这两个参数来评价体压分布的合理性。

最大压力是指全部受压点中的最大值，跟坐垫的刚度有直接关系，定义为

pm=max(p1,p2,…,pN)

(1)

平均压力是指全部受压点压力的算术平均值，不仅可以体现坐垫刚度，也能反映人体与座椅间的接触状态，即

(2)

式中：N为受压点数；pi为测点压力值。

体压分布和坐姿密切相关，是影响乘坐舒适性很重要的因素。在人体模型、人椅系统模型及其体压分布结果均得到验证的基础上，运用所建立的人椅系统模型，对几种不同坐姿进行体压分布分析计算。

3.1 良好坐姿体压分布

参照SAE267C标准，把人体各个关节和座椅靠背角度和椅面高度调为人机工程学认为舒适的角度，其中膝盖弯曲角、脚角、躯干与大腿夹角分别为105°，92°和95°，此时，椅面高度为34cm。加载完固定约束、接触约束和重力载荷之后，使用高级非线性软件MSC.MARC作为求解器进行分析求解。得到坐垫体压分布云图如图6所示。

从图6可知，最大压力为25.1kPa，根据相关研究[1]可知，汽车人椅系统体压分布最大压力一般在20～40kPa之间，25.1kPa在合理的范围内。由压力分布云图也可以看出，最大压力出现在人体的坐骨结节处，该处人体血管、神经分布较少，是可以承重的部位，因此坐骨结节处的压力最大是符合人机工程学的要求，而向大腿方向压力值逐渐变小，由坐骨结节向臀后，压力骤降至最低。

导出坐垫上所有受压点的压力值，计算其平均压力的大小为8.420kPa。

分析左右两侧的体压分布云图可以看出，体压基本上呈对称分布。

3.2 不良坐姿体压分布

在汽车使用中，由于乘员体型和座椅的不同，椅面高度的不同，会出现不良坐姿，也就容易引起不舒适感。乘员坐姿简单来说，可以用坐骨结节的高度作为一个衡量指标；但鉴于坐骨结节高度不便量测，且作为本文中所建人体模型的基础—Hybrid III假人，其坐骨结节高度与座椅高度有一固定差值，故可用座椅椅面高度作为参量对坐姿进行定量描述。

图7为两种典型的不良坐姿示意图，左侧坐姿可以认为是由于椅面高度太高，坐垫前端压迫大腿底部；右侧坐姿是由于椅面太低，使人体呈前屈状。这两种坐姿都会引起驾乘人员有不舒适感。

对于椅面过高的不良坐姿，经过调整得到椅面高度为40cm，膝盖弯曲角、躯干与大腿夹角大小分别为80°和98°。在有限元中用双脚无支撑的悬空状态模拟，而其他的约束和载荷条件不变。计算得到体压分布结果如图8所示。

由图8可知，最大压力值为21.3kPa，并计算得到平均压力为7.508kPa。虽然其最大压力值和平均压力都要比良好坐姿情况下略小，但是从压力云图看出，在大腿下面出现了较大的压力值，根据人体生物学的研究可知，人体大腿下面的肌肉群由于含有很多较大的血管和神经系统，不宜承受较大压力，长时间的受压容易影响神经传导，产生麻痹酸痛等不适感觉，故该坐姿下其乘坐舒适感更差，这与实际乘坐经验相符合。

对第2种椅面过低的不良坐姿，其椅面高度调整为28cm，膝盖弯曲角、躯干与大腿夹角大小分别为100°和90°。图9为调整之后的有限元模型。对调整后的人椅模型进行求解分析得到其体压分布结果如图10所示。

椅面过低的不良坐姿下，体压分布的最大压力值为33.7kPa，位于两个坐骨结节附近。与良好坐姿状态的计算结果相比，最大压力值增加了8.6kPa，而压力分布总面积减小，使体压分布总体以较大值集中分布在较小的区域，平均压力达到9.817kPa。这种坐姿使最大压力和平均压力都过大，同样会使驾乘人员身体局部疼痛，引起烦躁疲劳，导致产生乘坐不舒适感。

通过对3种不同坐姿的体压分布结果分析和对比可知，舒适度较高的体压分布应该是在坐骨结节处承受最大压力，但不宜过大，由坐骨结节向周围逐渐减小，压力过渡平滑，同时大腿中部压力不宜过大，且左右对称。由此可知，分析结果与体压分布的一般原则相符合，说明所建立的人椅系统模型可以准确地反映人体体压分布及其分布规律，能够用于座椅的实际设计。

4 结论

利用有限元软件建立了完整的人体模型，并对人体模型进行了体段质量分布和体压分布的验证，在此基础上，对人椅系统模型进行体压分布分析，讨论了在良好坐姿和两种不良坐姿状态下的坐垫体压分布。分析结果表明，所建立的模型能够真实和正确地反映人椅系统的体压分布特征，能够应用到座椅系统的设计和优化中，对座椅的理论评价和改善舒适性具有指导意义。

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Human-seat System Modeling for Body Pressure Distribution

Huang Shenrong1,2, Zhang Zhifei1,2, He Yansong2, Xu Zhongming1,2& Yuan Qiong2

1.ChongqingUniversity,StateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission,Chongqing400030； 2.SchoolofMechanicalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400030

Based on Hybrid III dummy and a car seat, a FE model for human-seat system with different grid sizes is set up, and through the comparison of the analysis results of pressure distribution, the mesh size meeting the requirements is determined. Then the results of body segment mass of human body model and the pressure distribution of human-seat system are verified. On this basis, the pressure distribution of human-seat system is calculated, and the pressure distribution parameters, including peak pressure and average pressure, of one proper sitting posture and two poor sitting postures are analyzed and compared. The results indicate that the model established can precisely reflect the pressure distribution characteristics of human-seat system, providing a reference basis for vehicle seat design and ride comfort evaluation.

vehicle seat; human-seat system; body pressure distribution; ride comfort

*国家自然科学基金(51105390)和中央高校基本科研业务费(CDJZR13110041)资助。

原稿收到日期为2013年11月15日，修改稿收到日期为2014年2月21日。