汽车乘客座椅造型设计方法

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摘要：在进行汽车乘客座椅造型设计时，需考虑弯道行驶过程中人体和座椅间的压力分布。针对该问题，基于人体数据库导出的处于舒适坐姿的人体模型，利用Rhino软件的可视化编程插件Grasshopper及其物理模拟插件Kangaroo分别建立了人体和座椅的模拟弹性点网，并使两者在转向推力、重力和弯道约束的共同作用下，沿圆形弯道运动并相互挤压。记录点网在运动过程中的不同位置，将各位置中两点网间各点的距离转换为受压分布。研究发现：在运动姿态趋于平稳且速度达到最大时，受压分布情况稳定且特征明显。模拟结果有助于设计人员快速定位问题，模拟中按比例获得的和受压分布相关的点集为设计人员进一步发挥创意提供了依据和参数化基础。

关键词：汽车座椅；造型设计；弹性表面挤压模拟；体压分布；Kangaroo

汽车座椅设计涉及多方面因素，其中体压分布是重要的设计环节，是设计人员在对座椅进行造型设计过程中的重要参考因素。在基于体压分布的相关汽车座椅研究中，陈双等［1］建立了汽车座椅坐垫非线性数学模型；李金柱等［2］利用H点测量装置作为假人，建立了体压仿真模型；高江华［3］建立了乘员坐垫系统垂向动力学模型；袁琼等［4］结合加速传感器分析了汽车行驶工况下的振动舒适性；龙江等［5］利用人工蜂群算法优化BP神经网络，建立了汽车座椅舒适性预测模型；肖燕等［6］利用虚拟人机系统仿真测试软件的生成姿态功能进行了特定汽车座椅环境下的舒适姿态预测。此外，在普通座椅体压分布方面，Reiko等［7］利用监测深度分析法研究了汽车座椅的体压分布；Kim等［8］利用卷积神经网络设计了能监测坐姿的智能座椅；刘伟松等［9］结合问卷与体压测试分析法，针对个体差异进行了静态座面设计。上述研究为汽车座椅设计提供了多样化的方法与工具，较适合在汽车整体方案成形后将座椅舒适性与汽车设计相融合的过程中使用。如果对于弯道行驶与体压分布的考虑在造型概念设计阶段就开始介入，则可帮助设计人员明确设计方向，提升设计概念的可行性。为适应概念性设计过程中的大量发散性思维的情况，需要一种非真人测试的、能快速调整的简易模拟方法。Grasshopper是Rhino软件的可视化编程设计插件，凭借可编译性、可视性及可扩展性成为应用广泛的参数化设计工具［10］，由设计人员负责创意想象，计算机负责迭代计算［11］。建筑设计人员利用Grasshopper对建筑及环境进行了相关分析。如文献［12］对风环境进行分析；文献［13］对日照和炫光进行分析并生成设计结果；文献［14］通过动态模拟优化建筑周边树木位置；文献［15］将建筑模型转换成结构分析模型。Kangaroo是Grasshopper的物理模拟插件［16］，文中利用该插件对汽车弯道运行过程中人体和座椅间的接触情况进行模拟，并根据模拟结果对乘客座椅进行造型设计。

1设计流程

人体表面和座椅都是柔软非线性的，利用Kangaroo分别建立模拟人体和座椅的弹性表面，建立简易的弯道运行测试环境，使两个表面在变加速运动过程中相互挤压，模拟在移动过程中座椅与人体间的接触关系，并尝试将模拟结果直接用于造型设计。由于驾驶员座椅涉及驾驶操作等其他复杂因素，因此文中仅探讨非驾驶位独立乘客座椅的设计。建立弹性表面时，以点为单元，每个点只和相邻的点相关联，通过点网模拟物体特性，通过调整相邻点的关系调整物理特性。以数据库中已建立好的人体模型为基础，生成规律简单的弹性网格点阵M1及用来模拟座椅基本包裹的弹性网格点阵M2。使M1和M2的空间位置关系近似为落座后人与座椅的空间位置关系，M1和M2间互不固定。使M1和M2沿指定的弯曲路径运动一段距离。监测M1和M2上每个点的运动，以判断两个点网的相互挤压情况，并转换为实时压力分布。点经设计人员按需求筛选后，可直接用于后续设计。设计流程如图1所示。研究过程需借助的CAD/CAE工具包括人机工程软件Jack、CAD建模软件Rhino、Rhino的参数化设计插件Grasshopper及其物理模拟插件Kangaroo。Jack主要用于从人体数据库及特定姿势生成器中生成人体坐姿模型。Grasshopper和Kangaroo用于模拟运动过程并获得数据结果。Rhino的其他功能用于在模拟结果的基础上进行造型设计。

2弹性点网的实现

在Kangaroo中，Length（Line）功能可将两个点用一条具有弹性的线连接，该线的长度可尽量保持在设定的长度，保持该长度的强度也可被设定。通过设定点网中相邻点间线的长度和保持长度的强度，建立一张可设定弹性强度的网。SphereCollide功能可用于模拟点网内点的相互碰撞。点网内任意点会根据所设定的抗拒强度，尽量将其他点的抗拒范围限制在自己的抗拒范围外。抗拒范围可通过抗拒半径设定。该功能与Length（Line）功能配合，可模拟材料表面的弹性特性。RigidPointSet功能可尽量保持点阵中各点的相对位置，保持位置的强度可设定。将Length（Line）及SphereCollide的功能配合，Length（Line）限制点集过度扩散，SphereCollide限制点集过度收缩，RigidPointSet限制点集过度变形，这样即可形成一张模拟物体弹性表面并基本保持物体形状的点网。对点网进行不同的参数设定，形成M1和M2，分别模拟人体表面及座椅表面。其中M2只用作测试，并非最终座椅与人体的接触面。（1）点网的结构。基于多边形建模（Mesh）的点网一般以四边形或三角形排布。四边形结构在变形过程中更灵活，但容易变形。三角形结构更稳定，但试验发现很难贴合于人体表面。最终选定四边形结构作为试验点网的基本结构。同时因为有SphereCollide和RigidPointSet的配合，四边形结构点网的过度变形问题得以解决。（2）初始面的搭建。依据设计需要，从人机工程模拟软件Jack中提取放松坐姿下的人体模拟Mesh模型。靠近模拟人体模型建立四边形排布的Mesh面。依据试验物件大小及试验设备实际情况，使四边形单元格边长设定为20mm，并用Length（Line）保持每个单元格边的原有长度。以该曲面作为获得M1和M2的初始面M0，如图2所示。（3）人体模拟点网雏形（M1a）的成形。在符合右手定则的xyz三维坐标系中，以－y为前，＋z为上。向Mesh面上各点施以方向为（0，－1，1），大小在Kangaroo中计为1的力。用OnMesh功能使每个点趋向人体模型表面。解算过程中，M0朝向人体模型运动并逐渐吸附在人体模型表面上。当M0获得足够的人体形状时停止解算并获得M1a，如图3所示。（4）座椅基础试验点网雏形（M2a）的成形。M2a的成形过程和M1a大致相同，不同点在于OnMesh功能的使用及停止解算的时机。M2a成形不使用OnMesh功能，同时因为设计目的是为辅助设计人员而不是追求唯一解，所以，停止计算的时间由设计者根据实际设计需求或主观判断决定，如图4所示。（5）内应力消除及弹性表面的搭建。试验中发现，M1a和M2a不能直接用于搭建弹性表面，因为在文中所述成形过程中，单元四边形的边长会发生很大的变化。如果直接使用其模拟人体及座椅，则点集在试验形体表面内会发生移动而影响受力趋势的判断。同时被拉长的单元格会造成两个试验体在模拟中相互穿透。因此，搭建弹性表面前须先消除内应力，使单元格边长即相邻点的距离恢复基本相等。此时，该长度不能再以原长度设定，需计算相邻点距的平均值（Lavg）并将其设定为Length（Line）功能的目标值。同时使用SphereCollide功能限制过度收缩，SphereCollide碰撞半径Ra设置为相邻点距的一半，相邻点距离平均值为：Lavg=1NNi=1ΣLi（1）式中：N———相邻点对数；Li———第i对相邻点距离，mm。Ra=12Lavg（2）式中：Ra———在SphereCollide中设置的点的碰撞半径，mm。模拟运算开始后，相邻点距趋于相等，待形状基本静止时停止计算。M1a和M2a消除内应力后获得M1和M2。生成M1和M2的整体流程及结果如图5和图6所示。

3测试环境搭建

3．1虚拟环境单位的设置及与现实单位的对应。Kangaroo中没有具体的单位设定，但物理单位间的关系与现实世界相同。其中，力的模拟通过一元力（unary）的方式实现。例如，根据F＝mg，通过给某个点或点集施以z轴负向的力来实现物体的质量。时间由运算迭代次数体现，如果1个长度单位对应1m，则一次迭代代表1s。如果对应1cm，则一次迭代代表0．01s。因为试验物件尺寸跨度大，所以试验以cm，N•cm，cm/s等为单位组合，但文中所述单位均按阅读习惯进行转换。3．2座椅移动模拟。测试环境的搭建，需设立M1和M2的载荷、运动路径和相关约束。在载荷和运动路径方面，现实中的弯道形状多变，汽车动力施力方向始终与前进方向一致，驾驶员会根据实际需求调整施力大小。Kangaroo解算器不能根据解算结果实时更改解算条件，要实现施力方向根据前进方向实时更新比较复杂，因此考虑了两种替代项。第1种使测试物在恒定方向力F0的作用下沿某设定曲线运动，如图7a所示，优点是只要保证曲线延展方向和施力方向的夹角为锐角，即可自由设定各种形状的路径。但过程中行驶方向力的大小将跟随F0与行驶方向的夹角变化而变化，与现实情况出入较大。第2种使测试物体做圆周运动至某角度。这种方法无法模拟多变的曲线路径，但可使施力方向始终与运动方向一致，与测试目的及实际情况较相符。试验使用第2种方法，如图7b所示。（a）恒定方向力及自由路径（b）旋转推力及圆形路径通过RigidPointSet可将某点与点网绑定，并以该点作为施力点代替整体受力。按照图8所示，分别对与M2和M1相关的元素进行设置。对于M2，P2是M2几何中心的地面投影，与M2绑定后对其施力可模拟来自座椅下方的动力。Pth0是运动路径，Pth1，Pth2是Pth0向内外各偏移相同距离所得的内外引导线。D为M2点网最前点的地面投影。P2a，P2b，P2c，P2d为引导点，与M2绑定。P2a，P2c的运动通过OnCurve限制在Pth1上，P2b和P2d的运动限制在Pth2上。为使受力均匀，施力点P2与D及4个引导点间的距离一致。对于M1，P1是M1的施力点，也是引导点。P1与P2重合可使M1与M2同步运动。P1的运动限制在Pth0上。M1和M2的动力由Hinge功能提供。Hinge通过对P1和P2施加动力F0带动M1和M2沿Pth0旋转运动359°后到达Px。旋转轴及Px都需通过Anchor功能完全固定于地面上。

4参数设置、测试过程及结果

4．1参数设置。根据人机工程通常做法，通用座椅需提取相应数据库中5百分位女性、50百分位男性、95百分位男性3组数据进行分析。文中主要探讨Kangaroo中体压分布结果的模拟方法，因此仅提取其中1个百分位进行分析。对应假设情况，从Jack软件中提取95百分位中国男性放松坐姿的人体Mesh模型，按照文中步骤，获得M1和M2，并绑定相应的施力点和引导点。根据高速公路匝道设计一般原则和技术标准［17］建议的高速公路匝道设计最小半径设定运动路径。根据一般日用小汽车宽度的一半设置引导线偏移总量。按照车质量1000kg，乘客质量75kg，车速0～120km/h，加速时间10s的假设，设置赋予Hinge的推力F0及M1和M2的重力值。F0可通过F＝ma及a＝（v1－v2）/t计算。由于测试过程并不是匀加速运动，所以计算此推力值只是为了赋予一个相对合理的数值。Pth1和Pth2相当于路轨，因此也将人和车的重力之和赋予OnCurve的强度参数。当M1和M2的RigidPointSet，SphereCollide及Length（Line）强度参数相当时，进行点网弹性挤压时表现较稳定，不容易穿透挣脱。该值影响了点网上点与点间联系的紧密程度。数值越小越容易散开，试验结果表现出的过弯侧倾也越大。相反，数值越大弹性越小，过弯时表现出的侧倾也越小。因此，可通过该参数调整车的过弯姿态。同时，因为点与点间的紧密程度也影响运动过程中物体内部的能量消耗，此参数也会影响实际的加速表现。反复调试后，将其设为人车重力之和的一半。由于M1的Rigid-PointSet强度代表人体外形，所以设定为其他强度的0．9倍，具体参数如表1所示。M1和M2挤压模拟的电池图连接如图9所示。这些设定可使M1和M2加速到最大速度所用时间与匀加速运动达到相同速度的时间相近。4．2测试过程与结果模拟运行开始后，M2在F0的推动和P2a，P2c，P2b，P2d的约束下，沿着Pth1和Pth2变加速运动，M1在P1的约束及M2的帮扶下沿着Pth0运动。运动过程中，M1和M2产生侧倾，M1和M2相互挤压。运行过程中，通过数据记录器对P1，M1，M2点集的位置进行全程记录。限于模拟计算机的运算能力，每25次迭代记录1次M1和M2的位置，每次迭代都记录P1的位置。计算P1前后两次迭代的位置间距和时间间隔，用v＝s/t计算获得相应的实时速度，进而获得速度变化曲线图，如图8所示。由图8中可见，运动的初始阶段处于磨合期，速度和加速度经几次振荡，约130次迭代后平稳上升，第360次迭代时速度达到最高，随后速度开始缓慢降低。速度变化过程如图10所示。取与360次迭代最接近的350次迭代的M1和M2位置进行记录，并对前后各两次记录进行分析。通过ClosestPoints功能为M1点集的每个点在M2点集中寻找最近点，与最近点间距越小的位置受挤压的程度越高。分级设定颜色后获得第300～400次迭代间M2受M1挤压的受压热力图，如图11所示。然后按照M1和M2间临近点距离由小到大对点集进行筛选，调整筛选比例直至可视点能较清晰地体现更高受压区域。筛选比例为7％时显示的区域较清晰，同时便于进一步的产品设计，如图12所示。（a）300次（b）325次（c）350次（d）375次（e）400次从这5次记录的筛选结果中可看出，整体受压的升高和降低都较稳定，受压分布特征明显。在向左转弯的过程中，模拟人M1右侧腰部到左侧肩部区域的后侧，右侧腰部、臀部、腿部右侧，均有明显的更高受压。此外，因为M2对M1的包裹包括上臂、肩颈和头部，因此这些部分也有一定的更高受压，右侧比左侧受压更明显。该受压分布情况和现实中驾驶员开车经过弯道的感受相符。如图13所示。

5基于模拟结果的汽车乘客座椅设计

设计人员可依据文中模拟结果进行不同需求、不同风格的设计。也可根据自己设定的造型，使用上述方法进行测试和深化设计。因为此时无需考虑内部应力，所以可采用未经内应力消除处理的M2a作为设计雏形。以M2a为基础重新建立曲面，将两组受压区域重合并以中线为轴进行镜像，取其中半边作为设计依据，如图14所示。将座椅区域按设计风格需求划分成若干小区间，根据文中所述单次过滤结果，调整过滤比例进行多级过滤，然后对不同划分空间进行不同的针对性设计。例如，如果挤压程度高的区域需要更多的支撑，则可为挤压更大的区域设计专门的支撑结构。或者采用支撑更好的材料，其他区域采用更柔软舒适的材料，同时根据实际需求可调整风格，如图15所示。（a）风格1（b）风格2图15中两种风格的椅子都是基于过滤所得的点集进行设计的。风格1采用手动设计，设计人员在获得受力点集后，通过观察，手动将曲面划分为多个区域，每个区域赋予针对性的材料。这种方法适合传统设计人员，但如果要生成大量备选设计方案则还是有一定的局限。风格2通过Grasshopper生成，先设计基础模块，采用嵌套的方法生成由基础模块组成的以M1a为曲面造型的模块组，再根据试验结果进行筛选，仅保留有用的模块并组合，最后进行细节处理并获得设计方案，如图16所示。这种方法可通过调整参数和更换基础模块快速获得大量基于试验结果的备选方案。设计人员的设计方式从注重设计结果向注重设计生成模式转变。

6结论

利用Grasshopper及其物理模拟插件Kangaroo开发了一种汽车乘客座椅造型设计辅助方法，该方法使人体弹性点网和座椅弹性点网沿圆形路径做变加速运动，模拟了汽车座椅和乘客在弯道运动过程中的相互挤压，获得了稳定的模拟人和模拟座椅的运动姿态、清晰的座椅受压分布图及可按比例过滤的相应点集。输出的结果可用于设计初期快速定位问题，同时可作为深化设计的参考。该方法操作简单，可灵活调整推力、质量、点网强度和运动半径，根据需求获得不同的运动姿态及模拟结果。以此结合其他参数化设计方法进行汽车座椅设计可快速获得多样化的有理造型，是工程测试方法与快速造型创意设计间的较好平衡点。文中仅考虑单层点网结构，仅限于表面的研究，后续研究可增加点网层数，以探索弹性物体的内部变化。

作者:戴梓毅 方海 单位:广东工业大学