压力分布对于评价和改进座椅及驾驶室设计具有重要的意义,通过对比压力分布指标可以评价座椅的舒适性。因此,在座椅设计时要求人体体表具有良好的压力分布,从而满足舒适性要求。但是座椅厂商在确定聚氨酯泡沫(海绵)造型和匹配型面时存在一定的盲目性,容易造成设计上的迭代。因此,本文依据符合人体体表舒适性的压力分布来匹配座椅型面及海绵硬度,采用数值模拟的方法研究座椅的舒适性正向设计方法,最大程度上保证驾乘人员具有良好的坐姿和合理的压力分布,进而保证舒适性。本文的正向设计流程是:根据目标人群人体尺寸分布和驾驶室布置参数建立坐姿人体生物力学模型;将理想压强施加在人体体表,通过仿真获得变形后人体体表轮廓,同时也是变形后海绵位置;根据舒适性设计要求确定座椅不同接触区域的海绵材料和厚度,并利用事先建立好的海绵材料力(压强)-厚度-变形数学模型,得出该部位海绵在理想压强下的变形量;在变形后海绵位置的基础上,补偿海绵变形量,获得座椅型面。理论上,利用理想压强求得的座椅型面能够满足不同人舒适乘坐要求。为了顺利地完成以上设计流程,本文首先对超弹性材料的本构模型进行了理论研究。选取了合适的用以模拟人体软组织和聚氨酯泡沫的材料模型,并初步地研究和分析了模型参数对人体软组织和聚氨酯泡沫材料力学特性的影响。建立了聚氨酯泡沫压强、厚度和变形量之间的数学模型。然后本文通过人体测量学属性提炼和多维人体尺寸联合分布选取了三个不同身材的驾驶员人体,并根据人体尺寸预测模型计算不同身材驾驶员的尺寸,建立了参数化的驾驶员人体几何模型。通过驾驶姿势预测模型对驾驶员几何模型进行调整,并赋予其相应的材料属性建立了驾驶员人体有限元模型。为了确定驾驶员身材和聚氨酯泡沫硬度对压力分布的影响,进行了压力分布仿真。首先对某款车型的驾驶员座椅进行了简化,建立了驾驶员座椅几何模型和有限元模型;然后对三个不同身材驾驶员进行了压力分布仿真,仿真结果发现大腿中部和大腿前缘容易出现应力集中,而且随着驾驶员身材的增加,驾驶员和座椅的接触面积逐渐增加,平均压强逐渐减小;最后,分析了不同聚氨酯泡沫材料对压力分布的影响,分析结果发现较软的聚氨酯泡沫能够增大驾驶员和座椅的接触面积,降低人体软组织应力和座椅接触表面的压强,进而提升座椅的舒适性。本文重点研究了多硬度座椅舒适性正向设计方法。首先,构建了符合人体体表舒适性的压力分布,把和座椅接触的人体体表分为8个区域,将理想压强施加到每个区域上进行了人体变形仿真实验,研究了不同驾驶员人体落座后体表变形特征,并对这8个体表区域进行了曲面拟合,获得了人体体表轮廓;其次,确定了驾驶员-座椅不同接触区域的海绵硬度及厚度,将理想压强映射到每一个体表点坐标上,根据海绵材料的数学模型计算每个体表点应该补偿的变形量;再次,通过曲面拟合对补偿后的体表接触区域进行拟合,得到了理想压力分布下的座椅型面;最后,通过压力分布仿真对所设计的座椅进行了验证,验证结果表明压力分布仿真结果与理想压力分布差距较小,从而验证了本方法的可行性。