面向理想压力分布的人椅界面正向设计研究

发布时间：2020-06-08 19:04

【摘要】：体压分布属于静态舒适性范畴,体压分布水平是衡量座椅舒适性的重要指标,应当在座椅舒适性设计中加以考虑。目前座椅生产商进行座椅舒适性设计时,往往前期依靠主观经验进行型面设计,后期通过体压分布试验及主观评价试验结果再修改,这种传统设计思路无疑会造成设计上的迭代,大大延长开发时间。因此,本文针对目前研究不足,探索一种快速获得具有理想压力分布座椅型面的座椅舒适性正向设计方法。本文主要设计流程是:首先根据GB/T 10000-88中国成年人人体尺寸参数建立驾驶姿态人体模型,基于SAE理想压力分布构建理想压力分布矩阵,将理想压力施加于所建立人体模型体表对应区域,进行人体变形仿真,在理想压力的作用下人体体表产生变形,变形轮廓即人体落座之后体表轮廓。基于聚氨酯泡沫材料试验参数进行海绵变形规律计算,建立体表不同区域变形量-厚度-压强三者之间关系数学模型,确定不同压强和厚度下聚氨酯泡沫变形量。以落座后人体体表轮廓为初始位置,此位置同时为座椅压陷型面,将不同压强及厚度下聚氨酯泡沫变形量补偿于座椅压陷型面表面,得到落座前座椅表面理想关键接触区域形状,根据所求得理想关键接触区域点云逆向设计落座前理想座椅海绵外形。对所设计理想座椅海绵型面进行舒适性验证,将50百分位人体模型与座椅装配,模拟人体乘坐时真实落座姿态,根据座椅体压分布仿真结果验证所设计座椅型面有效性。为了完成人体模型建模工作,前期对人体组织材料模型进行研究,从解剖学结构和材料力学性能两方面展开对皮肤、骨骼和肌肉材料的特性描述,通过国内外大量人体试验数据进行材料曲线评估,比较不同本构模型间差异,选取人体组织材料本构模型。为了完成座椅海绵发泡材料模型建立工作,针对座椅海绵发泡高回弹性、非线弹性、粘弹性、应力松弛及依赖应变率等力学性能特性选取本构模型,设计海绵发泡压缩及剪切试验特性确定其中参数,采用仿真手段验证结果准确性。本文重点研究了汽车座椅舒适性正向设计方法,将反求座椅的压力分布与理想压力分布对比验证结果可靠性,根据仿真验证结果探索海绵发泡的变形规律,从不同断面对型面设计、角度、不同压力梯度水平、海绵硬度、应力等影响因素进行分析,仿真结果发现相比于平面座椅,曲面座椅拥有更大的接触面积与贴合度,明显降低峰值压强,因此舒适性较高。建立于汽车座椅舒适性分析基础上,进一步将正向设计方法推广应用于轮椅座垫及电动自行车鞍座,结果显示坐具均有较好的压力分布水平,验证了面向理想压力分布的座椅舒适性正向设计方法的通用性。
【图文】：

典型的皮肤组织单向和双向拉伸试验下的应力应变关系如图2.1 所示[32]。胶原纤维和弹性纤维可以分别认为是线弹性的，，但由于结构的不均匀性，皮肤的应力应变关系是非线性的，可以将该曲线大致分为三个阶段。在第一阶段中，由于胶原纤维的网状结构，其纤维方向所受拉力较小，主要受拉对象为弹性纤维，曲线弹性模量较小，十分平缓，由弹性纤维的拉伸积累所造成。第二个阶段随着拉伸的继续，胶原纤维逐渐受力变直，皮肤组织逐渐变硬，应力几乎随着应变线性增加，由于胶原纤维的拉伸和滑移，该区域呈现较好的线性行为。第三个阶段为屈服破坏区域，应变逐渐增大，应力增长很小，胶原纤维内部出现屈服破坏。图 2.1 皮肤应力应变曲线各向异性：皮肤是一种在自然张力作用下的各向异性材料。在结构上，皮肤的自然纹路循着真皮纤维的方向存在天然的张力线，称为预应力线（兰格氏线），预应力线遍布全身，而皮肤力学性能上的各向异性也遵循相同的方向。由于沿着预应力线上的弹性蛋白和胶原纤维比其他方向的线条上拉伸得更多，所以皮肤在这些线条方向上的延展性更低而硬度更高。但在较高的应变下，应力-应变曲线线性区域的斜率在各

图 3.1 典型软质聚氨酯泡沫压缩加载-卸载曲泡沫力学行为，仿真时本构模型选取需能准确BAQUS 中 Hyperfoam 超弹性泡沫本构模型能够拟的材料特征表现为材料各向同性、材料非线积受力变化大的多孔固体，能够描述弹性体泡缩情况下大应变弹性变形。Hyperfoam 本构模( ( )21 2 312 1 3 i ii i iNeliii iU J = = 数，i ，i 和i 为依赖温度的材料常数，i 为thJ 定义如下：( )131 2 3 th eli i J J = → = ·········
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TS665.4

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本文编号：2703508