驾驶员—座椅压力分布模拟研究

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坐姿舒适性对于驾驶员和其它乘员非常重要,可以在很大程度上通过静态的坐姿舒适度情况反映出来,主要反映在乘员身体肌肉负荷水平和人椅之间压力分布两方面。应用生物力学方法研究乘坐舒适性的机理已成为人机工程学研究的热点。目前,人椅界面压力分布常被用来对座椅的舒适性进行客观评价。研究发现,不同的驾驶姿势会引起人椅界面压力分布的变化,而驾驶姿势随驾驶室布置参数呈一定的变化规律,因此,匹配不同车型的驾驶座椅,其舒适性是不同的,在设计中,为提高坐姿舒适性和满足驾驶要求,必须研究和应用特定驾驶姿势的压力分布规律。本文借助人体尺度预测和姿势预测方法,利用数值仿真的方法对特定身材驾驶员在特定驾驶姿势下的压力分布,以及压力分布对坐姿舒适性的影响进行了研究。压力分布仿真研究时应尽可能地根据实际情况进行模拟;准确设定不同布置参数下的驾驶姿势是准确模拟人椅之间相互作用的关键之一。对于确定的座椅,不但需要考虑姿势因素的影响,还应尽可能反映出个体因素的影响。为了能够恰当地将姿势因素和个体因素引入到压力分布研究中,论文前期分别利用统计-实验方法和主成分分析方法建立了基于布置参数的驾驶员驾驶姿势预测模型和基于主成分的边缘人体尺度预测模型,这样在仿真研究中便可利用姿势预测模型获得驾驶员在汽车布置环境下的驾驶姿势,利用边缘人模型研究个体因素对压力分布的影响。压力分布仿真的另外一个难点在于人体模型的建立。为了保证计算结果的精度并有效保证模拟的逼真性,本文利用Poser人体数据建立完备的人体生物力学模型;利用身高、体重等主要人体尺寸对建立的模型进行了验证,并根据大腿长、小腿长等宏观人体尺寸对具有差别的部位进行重新调整;进而根据调整的模型建立完整的人体有限元模型,并采用Mooney-Rivlin形式的本构模型来模拟人体各组织特性。利用该人体有限元模型,通过定义面-面接触设置人椅之间的边界条件,研究了具有特定姿势的50th百分位驾驶员压力分布,并通过压力分布试验对比验证了仿真结果的有效性。通过仿真发现,臀部最大应力出现在坐骨结节下面的软组织中,且超过皮肤层的应力;背部最大应力出现在肩胛骨后部和腰部两处。由于姿势对压力分布具有重要影响,论文有针对性地研究了不同布置参数下的压力分布规律,并结合实验结果建立了基于线性回归的舒适度评价方法。研究结果表明最大压力分布随着H30增大逐渐变小。目前仅研究了少部分布置参数与压力分布之间的关系,未来需进行大量实验研究,以确定更多其他布置参数与压力分布之间的关系。在进行坐姿舒适性研究时发现,座垫平均剪力和座垫最大压力是影响舒适性的主要因素。论文最后利用仿真的方法,研究了H点装置落座后的H点位置,并进行了试验验证;根据仿真预测结果,结合边缘人模型和姿势预测模型,在Visual C++6.0平台上编写仿真程序,对落座后边缘人体背部特征点的分布规律进行了仿真。利用边缘人压力分布特点,结合背部特征点分布规律,研究了座椅正向设计方法。
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