汽车坐垫设计及有限元分析
对于汽车工业来说，坐垫的舒适性变的越来越重要。汽车制造商通常采用坐垫的舒适性来区分同类产品，以提升竞争力。然而，设计一个新的、更舒适的坐垫不仅成本高，而且周期长。而建立人体及坐垫的计算机模型进行坐垫的辅助设计将加速这一过程。人体与坐垫之间的相互作用是影响坐垫舒适性的重要因素。因此，本文将构建一个能接近真实描述人体臀部-坐垫的有限元分析模型，以预测和验证人体臀部与坐垫之间的界面压力。
坐垫的设计大多是基于臀部-坐垫界面压力测试，这只能测量其表面压力，因此，关于臀部软组织的内应力状态的信息就比较少。为了降低臀部的压力，通常采用的方法是把坐垫设计成与人体臀部轮廓相近的形状来包裹臀部。本文的研究目标在于，建立臀部-坐垫的生物力学模型用于有限元仿真，仿真的结果与通过压力测试设备测得结果相比较，从力学角度来评价普通平面坐垫及个体化坐垫分别对软组织的影响。实验过程如下：
首先是建立臀部坐垫的生物力学模型，并通过有限元的方法来仿真臀部与坐垫之间的接触应力分析。先通过激光扫描（VIVID910）扫描一个健康男性臀部及坐垫的轮廓并采用polygoneditingtooling软件进行三维重构。重构的数据导入到GEOMAGIC（Raindrop）软件进行进一步的处理，并构建成NURBS曲面。然后把压力传感器放置在平海绵坐垫上以测量到臀部坐垫之间的界面压力。最后，采用ANSYS软件构建真实的人体坐姿的有限元模型。模型分为两部分：海绵坐垫模型，臀部模型。臀部模型是由骨盆及软组织组成。载荷的施加包括施加一个520N大小垂直于骨盆的力，这个力的大小对应着人体的重量的69％，载荷施加后对臀部坐垫系统进行迭代计算。
接着是比较平面坐垫及个体化坐垫的测量结果并比较通过压力测试系统测得的结果与通过有限元仿真的结果。通过有限元计算出的软组织内应力、坐垫-臀部界面压力及各向应力分布来评价对软组织潜在的损伤。
从力学角度分析，臀部坐垫界面的压力分布与试验结果基本一致。另外，平面坐垫的各项压力高于个体化作垫的各项压力。高压力及高应力区域发生在臀部突起的坐骨结节处。坐骨结节处的最大内应力也高于臀部坐垫界面的最大内应力。各向应力及最大剪切力的大小也证明了剪切力也是造成软组织损伤的重要因素。
本文研究的框架建立在采用三维有限元分析模型研究复杂臀部-坐垫相互作用的优势的基础上。软组织的变形及海绵坐挚的各项参数是决定臀部坐垫界面的主要因素，而有限元分析分析可以灵活的改变各种参数条件，分析出的结果能够为汽车坐垫的设计和选择提供有用的信息。因此，与普通测试设计方法需要很多相关设备相比，有限元分析是另一种创新的方法。
汽车坐垫;逆向工程;有限元分析;压力分布;计算机辅助设计
广东工业大学
硕士
机械制造及其自动化
吴百海;王卫平
2009
中文
U463.836;TH122.5
56
2009-12-11（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）