CN115099087A - 一种通过有限元方法预测驾乘人员颈部舒适度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过有限元方法预测驾乘人员颈部舒适度的方法，涉及汽车人机工程领域。该预测驾乘人员颈部舒适度的方法包括步骤一：首先进行颈部姿态测量实验和颈部舒适度主观评价实验，建立对于驾乘人员颈部所处姿势舒适度的评价标准；步骤二：对汽车座椅进行有限元仿真，获取驾乘人员人体模型的颈部姿势角度；步骤三：将步骤二仿真所得颈部姿势角度与步骤一所建立的评价标准进行对比，预测驾乘人员的颈部舒适度。该预测驾乘人员颈部舒适度的方法在座椅样件制作前便实现对乘坐者颈部舒适性的预测，在设计阶段就能对座椅不满足舒适性要求的地方进行修改，从而明显缩短设计周期。

Description

一种通过有限元方法预测驾乘人员颈部舒适度的方法

技术领域

本发明涉及一种预测方法，具体为一种通过有限元方法预测驾乘人员颈部舒适度的方法，属于汽车人机工程技术领域。

背景技术

汽车座椅作为车上与驾乘人员长期接触的部件，环保性、经济性与舒适性是其设计和评估的主要准则。随着社会生活水平的提高，消费者在关注汽车性能配置的同时，也越来越关注汽车的乘坐舒适性。作为座椅的重要组成之一，座椅头枕也是影响乘坐舒适性的重要因素。然而，为增强发生追尾事故时乘员的头颈部安全，很多座椅(尤其是驾驶座椅)的头枕与正常驾驶姿态下驾驶员后脑之间的距离被设计得很小，导致处于休息状态时，驾驶员的头颈部也得不到很好的放松，严重影响了其颈部的舒适度，长此以往将直接影响到驾乘人员的身体健康、驾驶疲劳状况与行车安全。

对于驾乘人员的颈部舒适度，目前行业里缺少相关的评价方法，更做不到在座椅设计早期就评估颈部姿势舒适性。传统的座椅开发中，制造商先根据设计要求制作座椅样件，由有经验的人员进行主客观评价试验，对于不足的地方再重新修改设计，在设计早期没有座椅实物时，无法准确地测量驾乘人员落座后的颈部姿势。不同于实椅试验，有限元仿真能在座椅设计早期只有有限的几何数据的情况下，预估驾乘人员的休息姿势，计算得到颈部姿势，用于舒适性的评价，可有效缩短设计周期、降低开发成本。除了通过有限元仿真准确预估颈部姿势外，颈部舒适度的评估还需要依据相应的评价标准或数学模型。综上，本发明提出的一种通过有限元方法预测驾乘人员颈部舒适度的方法将包括两部分内容，一部分是通过有限元仿真获得驾乘人员的颈部姿势角度；另一部分是通过实验、统计等方法建立根据颈部姿势评估舒适度的评价标准。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明的目的在于为解决上述问题提供一种通过有限元方法预测驾乘人员颈部舒适度的方法，以克服传统座椅开发流程中的不足，实现在座椅设计早期就能评估颈部姿势舒适性。其中，颈部舒适度通过颈部姿势角度来评价，其评价标准根据一定数量的被试人员主客观试验的结果来建立。在座椅设计阶段，通过有限元仿真获得驾乘人员靠上座椅头枕后的相关姿势角度，并结合前述所建立的评价标准，便可预测该座椅头枕设计是否满足驾乘人员头颈部舒适性要求。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种通过有限元方法预测驾乘人员颈部舒适度的方法，包括如下步骤：

步骤一：首先进行颈部姿态测量实验和颈部舒适度主观评价实验，建立对于驾乘人员颈部所处姿势舒适度的评价标准；

步骤二：对汽车座椅进行有限元仿真，获取驾乘人员人体模型的颈部姿势角度；

分别建立人体和座椅的几何模型，所述人体几何模型包括骨骼、软组织、皮肤等部位，在Hypermesh软件中对所述的人体几何模型和座椅几何模型进行模型简化和网格划分，获得相应的有限元模型；

其中：人体软组织采用非线性、超弹性、不可压缩的Mooney-Rivlin材料进行模拟，其应变能函数如下：

其中，U为应变能、

和

分别为Cauchy-Green等容形式张量的第一和第二不变量、J为材料变形前后的体积比、C₁₀和C₀₁为剪切模量，D₁为体积模量；

步骤三：将步骤二仿真所得颈部姿势角度与步骤一所建立的评价标准进行对比，预测驾乘人员的颈部舒适度。

优选地，步骤一所述两个实验在自制的实验座椅上进行，所述实验座椅的头枕具有上下调节行程和前后调节行程，所述上下调节行程用于适应不同身材的被试人员的头部位置，所述前后调节行程用于实验过程中改变头枕的前突量，从而改变被试人员的颈部姿势；

步骤一所述的实验，具体步骤如下：

1)选取一定数量的被试人员，所述被试人员选取范围应尽可能广，包含不同性别、身高及胖瘦等特征；

2)被试人员落座，保持背部紧贴所述实验座椅的靠背板，实验人员调整实验座椅头枕的前后行程为零，同时调整所述实验座椅头枕的上下行程，使其与被试人员头部位置相适应，作为被试人员头颈部的初始位置；

3)实验人员按一定步长调节所述座椅前后行程，增加头枕前突量，从而使被试人员头部前倾，颈部姿势发生变化，相应地，颈部舒适度也发生变化，所述颈部舒适度分为三个范围，分别是：舒适；不舒适，能接受；不舒适，不能接受，从所述头颈部的初始位置开始，在不断增加所述头枕前突量的过程中，每个舒适度范围均存在一个极限位置，根据被试人员的主观评价确定前述三个舒适度范围的极限位置；

4)实验的同时，记录所述被试人员位于每个极限位置的颈部姿势，所述颈部姿势为被试人员胯点到颈－胸关节点和颈－胸关节点到头－颈关节点连线的夹角；

5)处理实验数据，计算颈部舒适角度范围，建立颈部舒适度评价标准。

优选地，步骤二所述的有限元仿真，具体步骤还包括：

1)将所述人体和座椅的有限元模型导入Abaqus中进行装配，调整所述人体有限元模型与所述座椅有限元模型的相对位置，在计算开始前应保证两者不干涉的前提下，尽量使两者靠近；其中，所述人体各骨骼间采用“Hinge”连接，以模拟关节的转动，所述人体骨骼与软组织、软组织与皮肤之间均采用“Tie”绑定；约束所述人体有限元模型脚底的自由度，模拟车身地板对人体的支撑；约束所述座椅有限元模型中座椅骨架六个方向的自由度；所述人体有限元模型与所述座椅有限元模型之间采用通用接触，其切向接触属性为“罚函数”，摩擦因数为0.3；

2)载荷的施加通过两个分析步完成；

3)计算完成后，在Abaqus后处理界面中，查询所述人体有限元模型最终状态的头－颈关节点、颈－胸关节点以及胯点坐标，通过此三点坐标计算可得所述颈部姿势角度。

优选地，载荷的施加通过两个分析步包括：

分析步一：对所述人体有限元模型施加重力场，重力场施加时长要求能使计算达到稳定，即所述人体有限元模型在所述座椅有限元模型上平稳落座；

分析步二：在所述人体有限元模型的颈部施加扭矩，使得其头部靠上头枕，所述扭矩值通过骨肌生物力学计算获得。

本发明提供了一种通过有限元方法预测驾乘人员颈部舒适度的方法，其具备的有益效果如下：

本发明的一种通过有限元方法预测驾乘人员颈部舒适度的方法，可在座椅样件制作前便实现对乘坐者颈部舒适性的预测，在设计阶段就能对座椅不满足舒适性要求的地方进行修改，从而明显缩短设计周期，减少开发成本。

附图说明

图1为本发明的座椅行程调节示意图；

图2为颈部舒适性主观感受级别示意图；

图3为装配好的人－椅系统有限元模型示意图；

图4为颈部姿势角度定义示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种通过有限元方法预测驾乘人员颈部舒适度的方法。

请参阅图1、图2、图3和图4，包括如下步骤：

步骤一：进行颈部舒适性实验及建立颈部舒适度评价标准。

召集被试人员。被试人员人数需要满足统计学要求的最小样本量要求，其性别和年龄比例符合目标人群的特点；人员人体尺寸(身高、体重)尽可能覆盖目标人群中各种可能类型，并服从正态分布。实验前需要对被试人员进行有关实验内容和舒适性评价要点的培训。

引导被试人员以所需的驾驶姿势入座，并保持其背部紧贴座椅靠背板。如图1所示为座椅行程调节示意图，被试人员落座后，实验人员调整实验座椅头枕的前后行程L为零(即头枕前突量最小)，同时调整实验座椅头枕的上下行程H，使其与被试人员头部位置相适应，作为头颈部的初始位置；

请再次参阅图1、图2、图3和图4，实验人员按一定步长调节座椅前后行程L，增加头枕前突量，从而使被试人员颈部姿势发生变化，即颈部舒适度发生变化。其中，舒适度分为三个范围，如图2所示，分别是：舒适；不舒适，能接受；不舒适，不能接受。从头颈部的初始位置开始，在不断增加头枕前突量的过程中，每个舒适度范围均存在一个极限位置。根据被试人员的主观评价确定前述三个舒适度范围的极限位置，并获取相应位置时的颈部姿势角度，具体角度获取方法不唯一，非本发明重点，此不赘述。

实验结束，整理实验数据，在本课题组自主开发的软件系统中进行实验数据的处理，统计分析得出颈部舒适角度范围，建立颈部舒适度评价标准。

步骤二：进行颈部舒适度有限元仿真。

本例中，建立95百分位中国男性的人体几何模型，包括骨骼、软组织、皮肤等部位；建立某座椅几何模型，包括蒙皮、海绵发泡、座椅骨架、弹性元件等部件。在Hypermesh软件中人体几何模型和座椅几何模型进行模型简化和网格划分，获得相应的有限元模型。

人体软组织采用非线性、超弹性、不可压缩的Mooney-Rivlin材料进行模拟，其应变能函数如下：

其中，U为应变能；

和

分别为Cauchy-Green等容形式张量的第一和第二不变量；J为材料变形前后的体积比；C₁₀和C₀₁为剪切模量，D₁为体积模量。

人体皮肤和骨骼均采用线弹性材料进行模拟，其材料属性参数如表1所示。

表1人体皮肤和骨骼材料属性

对于本实施例，座椅各部分结构的材料属性定义如表2所示。

表2座椅各部件材料属性

之后，将人体和座椅的有限元模型导入Abaqus中进行装配，调整人体有限元模型与所述座椅有限元模型的相对位置，在计算开始前应保证两者不干涉的前提下，尽量使两者靠近；其中，人体各骨骼间采用“Hinge”连接，以模拟关节的转动，人体骨骼与软组织、软组织与皮肤之间均采用“Tie”绑定；约束所述人体有限元模型脚底的自由度，模拟车身地板对人体的支撑；约束座椅有限元模型中座椅骨架六个方向的自由度；人体有限元模型与座椅有限元模型之间采用通用接触，其切向接触属性为“罚函数”，摩擦因数为0.3；如说明书附图中图3所示为装配好的人－椅系统有限元模型示意图。

接着，进行施加载荷，模拟人落座并靠在头枕上的整个过程。载荷通过两个分析步进行施加，分析步一：对人体有限元模型施加重力场，重力场施加时长要求能使计算达到稳定，即人体平稳落座；分析步二：对人体有限元模型的颈部施加扭矩，使得其头部靠上头枕，扭矩值的具体大小通过骨肌生物力学计算获得(具体计算方法参见有关资料，非本发明重点，此不赘述)。

在仿真结束后，在Abaqus后处理界面中查询人体有限元模型最终状态(即落座完毕，且头部靠上头枕)的头颈关节、颈胸关节以及胯点坐标，通过此三点坐标计算可得颈部姿势角度，如图4所示。

步骤三：根据仿真所得的颈部姿势角度，结合前述所建立的颈部舒适度评价标准，便可对乘员的颈部舒适性进行评价，从而预测该座椅头枕设计是否满足舒适性要求。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种通过有限元方法预测驾乘人员颈部舒适度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：首先进行颈部姿态测量实验和颈部舒适度主观评价实验，建立对于驾乘人员颈部所处姿势舒适度的评价标准；

步骤二：对汽车座椅进行有限元仿真，获取驾乘人员人体模型的颈部姿势角度；

分别建立人体和座椅的几何模型，人体几何模型包括骨骼、软组织、皮肤等部位，在Hypermesh软件中对的人体几何模型和座椅几何模型进行模型简化和网格划分，获得相应的有限元模型；

其中：人体软组织采用非线性、超弹性、不可压缩的Mooney-Rivlin材料进行模拟，其应变能函数如下：

其中，U为应变能、

和

分别为Cauchy-Green等容形式张量的第一和第二不变量、J为材料变形前后的体积比、C₁₀和C₀₁为剪切模量、D₁为体积模量；

步骤三：将步骤二仿真所得颈部姿势角度与步骤一所建立的评价标准进行对比，预测驾乘人员的颈部舒适度。

2.根据权利要求1所述的一种通过有限元方法预测驾乘人员颈部舒适度的方法，其特征在于，步骤一两个实验在自制的实验座椅上进行，所述实验座椅的头枕具有上下调节行程和前后调节行程，所述上下调节行程用于适应不同身材的被试人员的头部位置，所述前后调节行程用于实验过程中改变头枕的前突量，从而改变被试人员的颈部姿势；

步骤一所述的实验，具体步骤如下：

1)选取一定数量的被试人员，所述被试人员选取范围应尽可能广，包含不同性别、身高及胖瘦等特征；

2)被试人员落座，保持背部紧贴所述实验座椅的靠背板，实验人员调整实验座椅头枕的前后行程为零，同时调整所述实验座椅头枕的上下行程，使其与被试人员头部位置相适应，作为被试人员头颈部的初始位置；

3)实验人员按一定步长调节所述座椅前后行程，增加头枕前突量，从而使被试人员头部前倾，颈部姿势发生变化，相应地，颈部舒适度也发生变化，所述颈部舒适度分为三个范围，分别是：舒适；不舒适，能接受；不舒适，不能接受，从头颈部的初始位置开始，在不断增加所述头枕前突量的过程中，每个舒适度范围均存在一个极限位置，根据被试人员的主观评价确定前述三个舒适度范围的极限位置；

4)实验的同时，记录所述被试人员位于每个极限位置的颈部姿势，所述颈部姿势为被试人员胯点到颈－胸关节点和颈－胸关节点到头－颈关节点连线的夹角；

5)处理实验数据，计算颈部舒适角度范围，建立颈部舒适度评价标准。

3.根据权利要求1所述的一种通过有限元方法预测驾乘人员颈部舒适度的方法，其特征在于，步骤二所述的有限元仿真，具体步骤还包括：

1)将所述人体和座椅的有限元模型导入Abaqus中进行装配，调整所述人体有限元模型与所述座椅有限元模型的相对位置，在计算开始前应保证两者不干涉的前提下，尽量使两者靠近；其中，所述人体各骨骼间采用“Hinge”连接，以模拟关节的转动，所述人体骨骼与软组织、软组织与皮肤之间均采用“Tie”绑定；约束所述人体有限元模型脚底的自由度，模拟车身地板对人体的支撑；约束所述座椅有限元模型中座椅骨架六个方向的自由度；所述人体有限元模型与所述座椅有限元模型之间采用通用接触，其切向接触属性为“罚函数”，摩擦因数为0.3；

2)载荷的施加通过两个分析步完成；

3)计算完成后，在Abaqus后处理界面中，查询所述人体有限元模型最终状态的头－颈关节点、颈－胸关节点以及胯点坐标，通过此三点坐标计算可得所述颈部姿势角度。

4.根据权利要求3所述的一种通过有限元方法预测驾乘人员颈部舒适度的方法，其特征在于，载荷的施加通过两个分析步包括：

分析步一：对所述人体有限元模型施加重力场，重力场施加时长要求能使计算达到稳定，即所述人体有限元模型在所述座椅有限元模型上平稳落座；

分析步二：在所述人体有限元模型的颈部施加扭矩，使得其头部靠上头枕，所述扭矩值通过骨肌生物力学计算获得。

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