基于生物力學的座椅舒適性

乘坐舒適性是評價汽車性能的主要指標，座椅舒適性是駕乘體驗感的主要影響因素術。汽車誕生至今，經過多年的發展，目前汽車座椅設計開發流程、方法、標準已經相對完善，但在座椅設計中仍然存在一些問題：人體數據缺乏，因此缺乏直接應用于座椅舒適性設計的數據， 缺乏舒適性驅動下面向中國人體生理結構的座椅正向設計技術，缺乏一體化的座椅舒適性設計分析優化解決方案，不能保證高效、科學地設計座椅舒適性。

為了達到車輛最大的舒適性，有兩種舒適性的定義：靜態舒適性和動態舒適性。靜態舒適性包括短期舒適性（坐姿舒適性）和長期舒適性（人 - 椅界面舒適性）

人體生物力學建模與仿真

已有的人體模型在使用過程中存在一些問題：功能不完善、使用不方便、無自主性，更不方便與設計參數聯系起來。而大規模仿真、導入導出以及生物力學計算及設計優化都需要建立適合中國人體尺寸、數據庫。因此進行數字人體建模與仿真及其重要。

其研究內容包括人群建模及樣本生成、人體尺度預測、人體運動學建模、人體生物力學建模以及姿勢模型。

首先要進行人群建模 - 用以表達目標人群，并且根據目標人群生成樣本。

其次根據人體尺度進行統計與預測。人群人體尺寸分布特點：正態性、相關性、分散性（離散性）人體尺度預測：多元線性回歸、分層回歸；基于體型分類的分層回歸；神經網絡；徑向基函數插值；各種分類器。

然后根據目標人群的人體尺度參數和設計參數進行人體運動生物力學建模，目標人群人體尺度參數包括身高、坐高、BMI，設計參數包括乘坐空間布置參數（駕駛室布、后排空間），座椅設計參數（座墊角、靠背角、腰部支撐量）和座椅材料參數（海綿發泡材料、蒙皮材料）。

參數驅動的人體有限元生物力學建模：存在的問題有建模工作量大、放縮不方便、不準確、建模自動化程度差。

利用幾何縮放技術進行改進：

? 均勻縮放

? 人體尺寸導向的縮放

? 非均勻縮放 – 神經網絡 -RBF 神經網絡 – 網格縮放法 – RBF 插值

基于生物力學的座椅舒適性設計

研究方法有試驗統計、姿勢預測（反向運動學）、姿勢評價。

存在的問題包括以下三個方面

試驗統計：范圍過大或不合適、對影響因素研究不徹底

姿勢預測：①反向運動法，不夠真實；②試驗統計法，預測效果不佳、平均姿勢

姿勢評價：①首選角度法，過于主觀；②生物力學法，模型不完善，不清楚機理

（1）坐姿舒適性仿真及評價

? 前提假設 – 舒適姿勢下人體生物力學負荷的分布

? 假設的驗證

? 初步的規律及應用

? 目前研究

– 舒適姿勢下人體生物力學負荷的分布

– 識別對舒適性敏感的人體生物力學負荷

? 肌肉力 / 肌肉活勱度 / 關節力 / 關節扭矩

– 舒適姿勢的分布建模

? 數據源：中國汽車技術中心、自己測量

? 數據處理及建模：相關分析、方差分析、多變量回歸：

（姿勢基本統計分析；姿勢變量的相關分析；姿勢變量的降維；姿勢的分布檢驗；多維姿勢分布特征參數計算；姿勢變量隨設計變量；人體尺寸的變化規律）

（3）坐姿舒適性仿真及評價

? 舒適姿勢的分布建模 – 舒適姿勢的分布

? 舒適姿勢的分布建模 – 坐姿模型

?RAMSIS 駕駛姿勢模型 ?密西根大學駕駛姿勢模型 ?中國最新姿勢模型 ?吉林大學駕駛姿勢模型 ?客車乘員姿勢模型 ?其它姿勢模型

（1）- 椅界面生物力學仿真及評價

參數化人體生物力學建模 - 座椅有限元建模

- 模型裝配 - 生物力學仿真

（2）人 - 椅界面生物力學仿真及評價

人 - 椅界面舒適性評價

評價因子：人體負荷——壓強、摩擦力、組織應力

分區特征參數：峰值壓強、負荷比例、平均壓強等

優化設計

設計變量

– 座椅型面（形狀及材料，包括發泡及面料）

– 座椅設計參數（座椅高度、座墊角、腰部支撐量等）

– 乘坐環境參數（座椅位置、操縱件位置等）

優化目標 – 人體負荷分布最合理

基于客觀壓力分布的座椅評價

實物實測方法：標準加載裝置、規范的加載步驟、科學的體壓分布評價。

仿真方法：標準加載裝置有限元建模、科學、準確的邊界條件設置、Abaqus 顯式有限元分析計算、科學的體壓分布評價

部分案例

駕駛員體壓特性客觀量化評價

人體生理參數測量

? 體壓分布 ? 體表肌電 ?心電 ? 腦電

乘用車乘坐舒適性研究

編輯：hfy