CN106202783B - 一种驾驶座椅设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种驾驶座椅设计方法，属于汽车驾驶员座椅技术领域，解决现有座椅设计存在盲目，易导致多次设计修改的问题。包括根据海绵材料本构模型，通过非线性有限元建立海绵变形模型；通过坐姿压力分布测量和实验统计获取理想压力分布数据，建立理想压力分布模型；通过对目标人群人体数据统计分析，抽取用于座椅设计的样本点，并根据给定驾驶室布置参数和样本点，利用姿势预测模型确定舒适坐姿驾驶员人体，建立坐姿人体有限元模型；将理想压力分布模型映射到坐姿人体有限元模型的表面，根据非线性有限元仿真确定变形后坐姿人体模型表面；在变形后坐姿人体模型的表面上，补偿所述海绵的变形量，确定座椅海绵的型面。

Description

一种驾驶座椅设计方法
技术领域
本发明涉及汽车驾驶员座椅设计及舒适性技术领域，更具体地涉及一种驾驶座椅设计方法。
背景技术
驾驶座椅是重要的驾乘界面。座椅的座垫、靠背对人体形成支撑，连同其他的驾乘界面元素一起，使人体保持一定的驾驶姿势。这种静态姿势的好坏，直接影响人体不同部位肌肉群的紧张度。良好的静态驾乘姿势，能够使人体重量合理地分布于座垫和靠背上，血液循环保持良好；减小脊椎的椎间盘压力，腰背肌肉松弛；人体上肢能够灵活地完成驾驶和其它活动。因此，座椅的设计直接关乎驾驶员的姿势及其舒适性。
目前的座椅设计在确定海绵造型和匹配型面的时候多数是依赖经验先进行设计，在后期再根据压力分布和主观评价进行评价与改进，通过需常通过多次改进和优化才能够保证具有理想的压力分布，因而存在很大的盲目性；除了设计盲目性之外，为了配合不同级别车型，也常常需要更换造型和海绵材料(厂家通常称为发泡)，在更换造型和座椅材料时依然需要依靠经验进行，进一步增加了设计更改次数；在座椅舒适性设计时常常不能充分考虑海绵材料特性对座椅舒适性、尤其是压力分布的影响。较软的座椅能够增加人体和座椅的接触面积，减小接触区域的压强，使人感到舒适，但较软的座椅则无法充分发挥座椅的支撑作用，不利于人体的调节；较硬的座椅能够给人体提供足够的支撑，但海绵过硬会增加人体和座椅之间的压强，使人体产生不舒适感。目前在座椅舒适性设计时需要综合考虑理想压力分布以及海绵的材料特性。
发明内容
本发明实施例提供一种驾驶座椅设计方法，用以解决现有技术中存在座椅设计盲目，导致设计多次修改，且设计时难以综合考虑压力分布以及海绵材料特性的问题。
本发明实施例提供一种驾驶座椅设计方法，包括：
根据海绵材料本构模型，通过非线性有限元仿真建立海绵变形模型，其中，所述海绵变形模型至少包括以下参数：海绵的变形量，海绵的厚度和海绵承受的压力；
通过坐姿压力分布测量和实验统计获取理想压力分布数据，根据所述理想压力分布数据建立理想压力分布模型；
通过对目标人群人体数据统计分析，抽取用于座椅设计的样本点，并根据给定驾驶室布置参数和所述样本点，利用姿势预测模型确定舒适坐姿驾驶员人体，建立坐姿人体有限元模型；
将所述理想压力分布模型映射到所述坐姿人体有限元模型的表面，根据所述非线性有限元仿真确定变形后坐姿人体模型表面；
在所述变形后坐姿人体模型的表面上，补偿所述海绵的变形量，确定座椅海绵的型面。
优选地，所述理想压力分布模型为满足不同身材驾驶员舒适乘坐的人、椅间压力分布数据，以矩阵形式表达。
优选地，所述通过对目标人群人体数据统计分析，抽取用于座椅设计的样本点包括：
通过对所述目标人群人体数据均值、协方差矩阵统计分析，抽取用于座椅设计的样本点，所述样本点为人体尺度参数。
优选地，还包括：根据所述理想压力分布和座椅海绵变形的数学模型，计算海绵的变形量。
优选地，所述变形后坐姿人体模型表面为曲面形状。
本发明实施例提供一种驾驶座椅设计方法，包括：根据海绵材料本构模型，通过非线性有限元仿真建立海绵变形模型，其中，所述海绵变形模型至少包括以下参数：海绵的变形量，海绵的厚度和海绵承受的压力；通过坐姿压力分布测量和实验统计获取理想压力分布数据，根据所述理想压力分布数据建立理想压力分布模型；通过对目标人群人体数据统计分析，抽取用于座椅设计的样本点，并根据给定驾驶室布置参数和所述样本点，利用姿势预测模型确定舒适坐姿驾驶员人体，建立坐姿人体有限元模型；将所述理想压力分布模型映射到所述坐姿人体有限元模型的表面，根据所述非线性有限元仿真确定变形后坐姿人体模型表面；在所述变形后坐姿人体模型的表面上，补偿所述海绵的变形量，确定座椅海绵的型面。上述方法中，通过建立理想压力分布模型，将理想压力分布映射到坐姿人体模型表面，获取与坐姿人体模型表面不同接触区域压强，确定坐姿人体模型表面轮廓，并在此基础上结合海绵变形模型，建立海绵型面。该方法在设计座椅时，将压力分布和海绵材料特性考虑在内，并以建立的坐姿人体模型以及不同车型、不同车座参数的座椅为数据，确定该方法设计的座椅，能够面向不同人群、不同车型。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种座椅设计方法流程示意图；
图2A为本发明实施例提供的座垫接触区域的理想压力分布模型示意图；
图2B为本发明实施例提供的靠背接触区域的理想压力分布模型示意图；
图3为本发明实施例提提供的影射理想压力分布后的人体坐姿模型；
图4为本发明实施例一提供的对人体有限元模型表面划分为不同接触区域的示意图；
图5A～图5D为本发明实施例一提供的背部接触区域座椅型面示意图；
图5E～图5H为本发明实施例一提供的座垫接触区域座椅型面示意图；
图6为本发明实施例一提供的座椅模型示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中，涉及的术语包括以下：
人体数据：人体的尺寸，例如人体的手长、臂长等数据。
人体尺度参数：用来描述人体的一些参数，例如身高、体重和坐高等。
驾驶室布置参数：用来区分(描述)驾驶室的相关参数，(不同的驾驶室布置参数可以用来描述不同的驾驶室)例如，座椅高度、踏板参数、转向盘参数等。
姿势预测模型：是为了确定驾驶姿势的一种数学模型，输入参数包含人体尺度参数和驾驶室布置参数。所确定的驾驶姿势就是舒适的坐姿。
舒适坐姿驾驶员人体：处于较为舒适姿势下的驾驶员人体。该姿势通过驾驶姿势预测模型计算得到。
理想压力分布模型是对理想压力分布的一种数学描述，理想压力分布相当于一种最直接的表达形式，实现的时候可以通过理想压力分布模型来实现。
海绵变形数学模型包含变形量、压强(压力)和厚度，根据理想压力分布可以确定理想压力，因此在确定厚度的基础上，就可以计算得到变形量。
海绵变形量是通过海绵变形数学模型计算得到的。
变形后的座椅海绵形状，就相当于与之接触的变形后坐姿人体模型表面。因此在变形后坐姿人体模型表面的基础上，再加上海绵变形量就可以得到变形前座椅海绵表面。
图1示例性的示出了本发明实施例提供的一种座椅设计的方法流程示意图，该方法至少可以应用于汽车驾驶座椅设计中。
如图1所示，本发明实施例提供的一种座椅设计方法包括以下步骤：
步骤101，根据海绵材料本构模型，通过非线性有限元仿真建立海绵变形模型，其中，所述海绵变形模型至少包括以下参数：海绵的变形量，海绵的厚度和海绵承受的压力；
步骤102，通过坐姿压力分布测量和实验统计获取理想压力分布数据，根据所述理想压力分布数据建立理想压力分布模型；
步骤103，通过对目标人群人体数据统计分析，抽取用于座椅设计的样本点，并根据给定驾驶室布置参数和所述样本点，利用姿势预测模型确定舒适坐姿驾驶员人体，建立坐姿人体有限元模型；
步骤104，将所述理想压力分布模型映射到所述坐姿人体有限元模型的表面，根据所述非线性有限元仿真确定变形后坐姿人体模型表面；
步骤105，在所述变形后坐姿人体模型的表面上，补偿所述海绵的变形量，确定座椅海绵的型面。
在步骤101中，针对不同厚度的海绵，在海绵表面施加不同的均匀力，并对施加不同均匀力的海绵的变形进行统计。进一步地，针对确定的不同厚度的海绵、施加不同作用力与海绵变形量之间的关系，建立如公式(1)所示的海绵变形模型：
Z＝aXY+bXY2 (1)
在公式(1)中，Z为海绵变形量，X为海绵厚度，Y为施加压强，a和b分别为系数。
需要说明的是，在本发明实施例中，海绵变形模型至少包括海绵的变形量，海绵的厚度和海绵承受的压力等参数。
步骤102中，在实际应用中，由于设计的座椅需应用在不同车型中，且各车型座椅使用的材料也可能不相同。因此，在本发明实施例中，可以先针对多种车型，多种座椅、各种身材驾驶员进行测试，记录每次测试实验数据，包括压力分布数据和舒适性主观评价数据。其中，参加测试实验的有不同重量、不同体型的被试人员，记录的测试实验数据包括不同重量和体型的被试人员在设定的坐姿下，人体与座椅之间的压力分布数据。进一步地，不同重量和体型的人体与座椅之间的压力分布数据，包括座垫接触区域的压力分布数据和靠背接触区域的压力分布数据。
需要说明的是，在本发明实施例中，人体与座椅之间的压力分布数据，可以是每个人体针对所有的测试座椅进行的测试统计数据，也可以是每个人体针对其中部分测试座椅进行的测试统计数据；也可以是某些人体针对所有的测试座椅进行的测试统计数据。在本发明实施例中，对测试统计数据的具体来源不做具体限定。
进一步地，对压力分布数据和舒适性主观评价数据进行统计分析得到理想压力分布数据，其中，理想压力分布数据包括座垫接触区域和靠背接触区域的理想压力分布数据。如图2A和图2B所示，为本发明实施例提供的座垫接理想压力分布模型示意图和靠背理想压力分布示意图。
进一步地，根据理想压力分布数据，建立理想压力分布模型。
在步骤103中，根据目标车型驾驶室尺寸和目标驾驶人群人体尺寸数据，建立坐姿人体有限元模型。需要建立坐姿(大身材、小身材、中等身材)人体有限元模型。
步骤104中，将理想压力分布映射到坐姿人体有限元模型表面，如图3为本发明实施例提供的已经影射理想压力分布的人体坐姿模型表面。
进一步地，利用已经映射理想压力分布的坐姿人体有限元模型，进行非线性有限元仿真，计算得到变形后坐姿人体模型表面。在实际应用中，将与座椅接触的人体坐姿模型表面划分为一系列的格子，按照格子将理想压力分布映射到每个格子上，每个格子内的压强均视为均匀分布。
在步骤105中，利用与座椅接触的人体坐姿模型表面每个格子内的压强，根据步骤101确定的海绵变形模型，确定与座椅接触的人体坐姿模型表面轮廓曲面图各个点所对应的海绵变形量。确定了与座椅接触的人体坐姿模型表面各区域的海绵变形量之后，在变形后人体体表(也就是落座后海绵位置)基础上补偿海绵变形量，确定落座前的座椅型面(形状和厚度)。
下列以实施例一为例，具体介绍本发明实施例提供的一种座椅设计方法。
实施例一
为了方便对求得的座椅型面进行曲面拟合，在本发明实施例一中，将人体有限元模型表面划分为不同接触区域，具体如图4所示，图4为本发明实施例一提供的对人体有限元模型表面划分为不同接触区域的示意图。其中，人体模型表面不同接触区域总共有20个区域，背部接触区域包括：L1，L2，L3，L4，R1，R2，R3和R4；座垫接触区域包括：L5，L6，L7，L8，L9，L10，R5，R6，R7，R8，R9和R10。
在实际应用中，根据公式(1)建立的海绵变形模型，可以确定与变形后的坐姿人体表面接触的海绵的变形量；进一步地，将所确定的海绵变形量补偿到变形后的坐姿人体表面，可以确定与人体接触区域的海绵在落座变形前的坐标点。将海绵变形前各点坐标进行曲面拟合，即可确定与坐姿人体表面接触的座椅型面，具体地，对所求得的座椅型面，采用公式(2-1)和公式(2-2)对左半部分进行拟合：
z＝a+bx+cy+dx2+exy+fy2 (2-1)
z＝a+bx+cy (2-2)
如图5A～图5D所示，为本发明实施例一提供的背部接触区域座椅型面拟合结果；如图5E～图5H所示，为本发明实施例一提供的座垫接触区域座椅型面拟合结果。
对利用本方法设计的座椅的舒适性进行验证，具体地，根据一次多项式对所求得的座椅型面拟合结果，进行座椅几何及有限元模型的构建，如图6所示，为本发明实施例一提供的座椅模型。
针对确定的座椅模型，然后进行压力分布仿真，具体结果如表1所示，为人体模型在座椅模型上的压力分布与理想压力分布的对比。
表1压力分布指标与理想压力分布对比
Figure BDA0001054420330000081
如表1所示，可以确定对于区域2、区域3和区域4，平均压强的误差较小；对于最大压强，区域3、4、5很准确，从而验证了本发明座椅设计方法的可行性。区域1、5、6、7、8的误差相对较大，这主要是因为各接触区域建立的海绵面型均为平面没有根据造型进行平滑处理，而实际座椅设计则会进行美化处理。
综上所述，本发明实施例提供一种驾驶座椅设计方法，包括：根据海绵材料本构模型，通过非线性有限元仿真建立海绵变形模型，其中，所述海绵变形模型至少包括以下参数：海绵的变形量，海绵的厚度和海绵承受的压力；通过坐姿压力分布测量和实验统计获取理想压力分布数据，根据所述理想压力分布数据建立理想压力分布模型；通过对目标人群人体数据统计分析，抽取用于座椅设计的样本点，并根据给定驾驶室布置参数和样本点，利用姿势预测模型确定舒适坐姿驾驶员人体，建立坐姿人体有限元模型；将所述理想压力分布模型映射到所述坐姿人体有限元模型的表面，根据所述非线性有限元仿真确定变形后坐姿人体模型表面；在所述变形后坐姿人体模型的表面上，补偿所述海绵的变形量，确定座椅海绵的型面。上述方法中，通过建立理想压力分布模型，将理想压力分布映射到坐姿人体模型表面，获取与坐姿人体模型表面不同接触区域压强，确定变形后坐姿人体模型表面轮廓，并在此基础上结合海绵变形模型，建立海绵型面。该方法在设计座椅时，将压力分布和海绵材料特性考虑在内，并以建立的坐姿人体模型以及不同车型、不同车座参数的座椅为数据，确定该方法设计的座椅，能够面向不同人群、不同车型。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种驾驶座椅设计方法，其特征在于，包括：
根据海绵材料本构模型，通过非线性有限元仿真建立海绵变形模型，其中，所述海绵变形模型参数至少包括海绵的变形量、海绵的厚度和海绵承受的压力；
通过坐姿压力分布测量和实验统计获取理想压力分布数据，根据所述理想压力分布数据建立理想压力分布模型；所述理想压力分布模型为满足不同身材驾驶员舒适乘坐的人-椅间压力分布数据，以矩阵形式表达；
通过对目标人群人体数据统计分析，抽取用于座椅设计的样本点，并根据给定驾驶室布置参数和所述样本点，利用姿势预测模型确定舒适坐姿驾驶员人体，建立坐姿人体有限元模型；
将所述理想压力分布模型映射到所述坐姿人体有限元模型的表面，根据所述非线性有限元仿真确定变形后坐姿人体模型表面；
在所述变形后坐姿人体模型的表面上，补偿所述海绵的变形量，确定座椅海绵的型面。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过对目标人群人体数据统计分析，抽取用于座椅设计的样本点包括：
通过对所述目标人群人体数据均值、协方差矩阵统计分析，抽取用于座椅设计的样本点，所述样本点为人体尺度参数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变形后坐姿人体模型表面为曲面。
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