汽車坐墊設(shè)計及有限元分析.pdf

1、對于汽車工業(yè)來說，坐墊的舒適性變的越來越重要。汽車制造商通常采用坐墊的舒適性來區(qū)分同類產(chǎn)品，以提升競爭力。然而，設(shè)計一個新的、更舒適的坐墊不僅成本高，而且周期長。而建立人體及坐墊的計算機模型進行坐墊的輔助設(shè)計將加速這一過程。人體與坐墊之間的相互作用是影響坐墊舒適性的重要因素。因此，本文將構(gòu)建一個能接近真實描述人體臀部-坐墊的有限元分析模型，以預(yù)測和驗證人體臀部與坐墊之間的界面壓力。 坐墊的設(shè)計大多是基于臀部-坐墊界面壓力測試，這

2、只能測量其表面壓力，因此，關(guān)于臀部軟組織的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的信息就比較少。為了降低臀部的壓力，通常采用的方法是把坐墊設(shè)計成與人體臀部輪廓相近的形狀來包裹臀部。本文的研究目標在于，建立臀部-坐墊的生物力學(xué)模型用于有限元仿真，仿真的結(jié)果與通過壓力測試設(shè)備測得結(jié)果相比較，從力學(xué)角度來評價普通平面坐墊及個體化坐墊分別對軟組織的影響。實驗過程如下： 首先是建立臀部坐墊的生物力學(xué)模型，并通過有限元的方法來仿真臀部與坐墊之間的接觸應(yīng)力分析。先通過激

3、光掃描（VIVID910）掃描一個健康男性臀部及坐墊的輪廓并采用polygoneditingtooling軟件進行三維重構(gòu)。重構(gòu)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到GEOMAGIC（Raindrop）軟件進行進一步的處理，并構(gòu)建成NURBS曲面。然后把壓力傳感器放置在平海綿坐墊上以測量到臀部坐墊之間的界面壓力。最后，采用ANSYS軟件構(gòu)建真實的人體坐姿的有限元模型。模型分為兩部分：海綿坐墊模型，臀部模型。臀部模型是由骨盆及軟組織組成。載荷的施加包括施加一個52

4、0N大小垂直于骨盆的力，這個力的大小對應(yīng)著人體的重量的69％，載荷施加后對臀部坐墊系統(tǒng)進行迭代計算。 接著是比較平面坐墊及個體化坐墊的測量結(jié)果并比較通過壓力測試系統(tǒng)測得的結(jié)果與通過有限元仿真的結(jié)果。通過有限元計算出的軟組織內(nèi)應(yīng)力、坐墊-臀部界面壓力及各向應(yīng)力分布來評價對軟組織潛在的損傷。 從力學(xué)角度分析，臀部坐墊界面的壓力分布與試驗結(jié)果基本一致。另外，平面坐墊的各項壓力高于個體化作墊的各項壓力。高壓力及高應(yīng)力區(qū)域發(fā)生在臀

5、部突起的坐骨結(jié)節(jié)處。坐骨結(jié)節(jié)處的最大內(nèi)應(yīng)力也高于臀部坐墊界面的最大內(nèi)應(yīng)力。各向應(yīng)力及最大剪切力的大小也證明了剪切力也是造成軟組織損傷的重要因素。 本文研究的框架建立在采用三維有限元分析模型研究復(fù)雜臀部-坐墊相互作用的優(yōu)勢的基礎(chǔ)上。軟組織的變形及海綿坐摯的各項參數(shù)是決定臀部坐墊界面的主要因素，而有限元分析分析可以靈活的改變各種參數(shù)條件，分析出的結(jié)果能夠為汽車坐墊的設(shè)計和選擇提供有用的信息。因此，與普通測試設(shè)計方法需要很多相關(guān)設(shè)備相