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摘要：在進行汽車乘客座椅造型設計時，需考慮彎道行駛過程中人體和座椅間的壓力分布。針對該問題，基于人體數據庫導出的處于舒適坐姿的人體模型，利用Rhino軟件的可視化編程插件Grasshopper及其物理模擬插件Kangaroo分別建立了人體和座椅的模擬彈性點網，并使兩者在轉向推力、重力和彎道約束的共同作用下，沿圓形彎道運動并相互擠壓。記錄點網在運動過程中的不同位置，將各位置中兩點網間各點的距離轉換為受壓分布。研究發現：在運動姿態趨于平穩且速度達到最大時，受壓分布情況穩定且特征明顯。模擬結果有助于設計人員快速定位問題，模擬中按比例獲得的和受壓分布相關的點集為設計人員進一步發揮創意提供了依據和參數化基礎。

關鍵詞：汽車座椅；造型設計；彈性表面擠壓模擬；體壓分布；Kangaroo

汽車座椅設計涉及多方面因素，其中體壓分布是重要的設計環節，是設計人員在對座椅進行造型設計過程中的重要參考因素。在基于體壓分布的相關汽車座椅研究中，陳雙等［1］建立了汽車座椅坐墊非線性數學模型；李金柱等［2］利用H點測量裝置作為假人，建立了體壓仿真模型；高江華［3］建立了乘員坐墊系統垂向動力學模型；袁瓊等［4］結合加速傳感器分析了汽車行駛工況下的振動舒適性；龍江等［5］利用人工蜂群算法優化BP神經網絡，建立了汽車座椅舒適性預測模型；肖燕等［6］利用虛擬人機系統仿真測試軟件的生成姿態功能進行了特定汽車座椅環境下的舒適姿態預測。此外，在普通座椅體壓分布方面，Reiko等［7］利用監測深度分析法研究了汽車座椅的體壓分布；Kim等［8］利用卷積神經網絡設計了能監測坐姿的智能座椅；劉偉松等［9］結合問卷與體壓測試分析法，針對個體差異進行了靜態座面設計。上述研究為汽車座椅設計提供了多樣化的方法與工具，較適合在汽車整體方案成形后將座椅舒適性與汽車設計相融合的過程中使用。如果對于彎道行駛與體壓分布的考慮在造型概念設計階段就開始介入，則可幫助設計人員明確設計方向，提升設計概念的可行性。為適應概念性設計過程中的大量發散性思維的情況，需要一種非真人測試的、能快速調整的簡易模擬方法。Grasshopper是Rhino軟件的可視化編程設計插件，憑借可編譯性、可視性及可擴展性成為應用廣泛的參數化設計工具［10］，由設計人員負責創意想象，計算機負責迭代計算［11］。建筑設計人員利用Grasshopper對建筑及環境進行了相關分析。如文獻［12］對風環境進行分析；文獻［13］對日照和炫光進行分析并生成設計結果；文獻［14］通過動態模擬優化建筑周邊樹木位置；文獻［15］將建筑模型轉換成結構分析模型。Kangaroo是Grasshopper的物理模擬插件［16］，文中利用該插件對汽車彎道運行過程中人體和座椅間的接觸情況進行模擬，并根據模擬結果對乘客座椅進行造型設計。

1設計流程

人體表面和座椅都是柔軟非線性的，利用Kangaroo分別建立模擬人體和座椅的彈性表面，建立簡易的彎道運行測試環境，使兩個表面在變加速運動過程中相互擠壓，模擬在移動過程中座椅與人體間的接觸關系，并嘗試將模擬結果直接用于造型設計。由于駕駛員座椅涉及駕駛操作等其他復雜因素，因此文中僅探討非駕駛位獨立乘客座椅的設計。建立彈性表面時，以點為單元，每個點只和相鄰的點相關聯，通過點網模擬物體特性，通過調整相鄰點的關系調整物理特性。以數據庫中已建立好的人體模型為基礎，生成規律簡單的彈性網格點陣M1及用來模擬座椅基本包裹的彈性網格點陣M2。使M1和M2的空間位置關系近似為落座后人與座椅的空間位置關系，M1和M2間互不固定。使M1和M2沿指定的彎曲路徑運動一段距離。監測M1和M2上每個點的運動，以判斷兩個點網的相互擠壓情況，并轉換為實時壓力分布。點經設計人員按需求篩選后，可直接用于后續設計。設計流程如圖1所示。研究過程需借助的CAD/CAE工具包括人機工程軟件Jack、CAD建模軟件Rhino、Rhino的參數化設計插件Grasshopper及其物理模擬插件Kangaroo。Jack主要用于從人體數據庫及特定姿勢生成器中生成人體坐姿模型。Grasshopper和Kangaroo用于模擬運動過程并獲得數據結果。Rhino的其他功能用于在模擬結果的基礎上進行造型設計。

2彈性點網的實現

在Kangaroo中，Length（Line）功能可將兩個點用一條具有彈性的線連接，該線的長度可盡量保持在設定的長度，保持該長度的強度也可被設定。通過設定點網中相鄰點間線的長度和保持長度的強度，建立一張可設定彈性強度的網。SphereCollide功能可用于模擬點網內點的相互碰撞。點網內任意點會根據所設定的抗拒強度，盡量將其他點的抗拒范圍限制在自己的抗拒范圍外。抗拒范圍可通過抗拒半徑設定。該功能與Length（Line）功能配合，可模擬材料表面的彈性特性。RigidPointSet功能可盡量保持點陣中各點的相對位置，保持位置的強度可設定。將Length（Line）及SphereCollide的功能配合，Length（Line）限制點集過度擴散，SphereCollide限制點集過度收縮，RigidPointSet限制點集過度變形，這樣即可形成一張模擬物體彈性表面并基本保持物體形狀的點網。對點網進行不同的參數設定，形成M1和M2，分別模擬人體表面及座椅表面。其中M2只用作測試，并非最終座椅與人體的接觸面。（1）點網的結構。基于多邊形建模（Mesh）的點網一般以四邊形或三角形排布。四邊形結構在變形過程中更靈活，但容易變形。三角形結構更穩定，但試驗發現很難貼合于人體表面。最終選定四邊形結構作為試驗點網的基本結構。同時因為有SphereCollide和RigidPointSet的配合，四邊形結構點網的過度變形問題得以解決。（2）初始面的搭建。依據設計需要，從人機工程模擬軟件Jack中提取放松坐姿下的人體模擬Mesh模型。靠近模擬人體模型建立四邊形排布的Mesh面。依據試驗物件大小及試驗設備實際情況，使四邊形單元格邊長設定為20mm，并用Length（Line）保持每個單元格邊的原有長度。以該曲面作為獲得M1和M2的初始面M0，如圖2所示。（3）人體模擬點網雛形（M1a）的成形。在符合右手定則的xyz三維坐標系中，以－y為前，＋z為上。向Mesh面上各點施以方向為（0，－1，1），大小在Kangaroo中計為1的力。用OnMesh功能使每個點趨向人體模型表面。解算過程中，M0朝向人體模型運動并逐漸吸附在人體模型表面上。當M0獲得足夠的人體形狀時停止解算并獲得M1a，如圖3所示。（4）座椅基礎試驗點網雛形（M2a）的成形。M2a的成形過程和M1a大致相同，不同點在于OnMesh功能的使用及停止解算的時機。M2a成形不使用OnMesh功能，同時因為設計目的是為輔助設計人員而不是追求唯一解，所以，停止計算的時間由設計者根據實際設計需求或主觀判斷決定，如圖4所示。（5）內應力消除及彈性表面的搭建。試驗中發現，M1a和M2a不能直接用于搭建彈性表面，因為在文中所述成形過程中，單元四邊形的邊長會發生很大的變化。如果直接使用其模擬人體及座椅，則點集在試驗形體表面內會發生移動而影響受力趨勢的判斷。同時被拉長的單元格會造成兩個試驗體在模擬中相互穿透。因此，搭建彈性表面前須先消除內應力，使單元格邊長即相鄰點的距離恢復基本相等。此時，該長度不能再以原長度設定，需計算相鄰點距的平均值（Lavg）并將其設定為Length（Line）功能的目標值。同時使用SphereCollide功能限制過度收縮，SphereCollide碰撞半徑Ra設置為相鄰點距的一半，相鄰點距離平均值為：Lavg=1NNi=1ΣLi（1）式中：N———相鄰點對數；Li———第i對相鄰點距離，mm。Ra=12Lavg（2）式中：Ra———在SphereCollide中設置的點的碰撞半徑，mm。模擬運算開始后，相鄰點距趨于相等，待形狀基本靜止時停止計算。M1a和M2a消除內應力后獲得M1和M2。生成M1和M2的整體流程及結果如圖5和圖6所示。

3測試環境搭建

3．1虛擬環境單位的設置及與現實單位的對應。Kangaroo中沒有具體的單位設定，但物理單位間的關系與現實世界相同。其中，力的模擬通過一元力（unary）的方式實現。例如，根據F＝mg，通過給某個點或點集施以z軸負向的力來實現物體的質量。時間由運算迭代次數體現，如果1個長度單位對應1m，則一次迭代代表1s。如果對應1cm，則一次迭代代表0．01s。因為試驗物件尺寸跨度大，所以試驗以cm，N•cm，cm/s等為單位組合，但文中所述單位均按閱讀習慣進行轉換。3．2座椅移動模擬。測試環境的搭建，需設立M1和M2的載荷、運動路徑和相關約束。在載荷和運動路徑方面，現實中的彎道形狀多變，汽車動力施力方向始終與前進方向一致，駕駛員會根據實際需求調整施力大小。Kangaroo解算器不能根據解算結果實時更改解算條件，要實現施力方向根據前進方向實時更新比較復雜，因此考慮了兩種替代項。第1種使測試物在恒定方向力F0的作用下沿某設定曲線運動，如圖7a所示，優點是只要保證曲線延展方向和施力方向的夾角為銳角，即可自由設定各種形狀的路徑。但過程中行駛方向力的大小將跟隨F0與行駛方向的夾角變化而變化，與現實情況出入較大。第2種使測試物體做圓周運動至某角度。這種方法無法模擬多變的曲線路徑，但可使施力方向始終與運動方向一致，與測試目的及實際情況較相符。試驗使用第2種方法，如圖7b所示。（a）恒定方向力及自由路徑（b）旋轉推力及圓形路徑通過RigidPointSet可將某點與點網綁定，并以該點作為施力點代替整體受力。按照圖8所示，分別對與M2和M1相關的元素進行設置。對于M2，P2是M2幾何中心的地面投影，與M2綁定后對其施力可模擬來自座椅下方的動力。Pth0是運動路徑，Pth1，Pth2是Pth0向內外各偏移相同距離所得的內外引導線。D為M2點網最前點的地面投影。P2a，P2b，P2c，P2d為引導點，與M2綁定。P2a，P2c的運動通過OnCurve限制在Pth1上，P2b和P2d的運動限制在Pth2上。為使受力均勻，施力點P2與D及4個引導點間的距離一致。對于M1，P1是M1的施力點，也是引導點。P1與P2重合可使M1與M2同步運動。P1的運動限制在Pth0上。M1和M2的動力由Hinge功能提供。Hinge通過對P1和P2施加動力F0帶動M1和M2沿Pth0旋轉運動359°后到達Px。旋轉軸及Px都需通過Anchor功能完全固定于地面上。

4參數設置、測試過程及結果

4．1參數設置。根據人機工程通常做法，通用座椅需提取相應數據庫中5百分位女性、50百分位男性、95百分位男性3組數據進行分析。文中主要探討Kangaroo中體壓分布結果的模擬方法，因此僅提取其中1個百分位進行分析。對應假設情況，從Jack軟件中提取95百分位中國男性放松坐姿的人體Mesh模型，按照文中步驟，獲得M1和M2，并綁定相應的施力點和引導點。根據高速公路匝道設計一般原則和技術標準［17］建議的高速公路匝道設計最小半徑設定運動路徑。根據一般日用小汽車寬度的一半設置引導線偏移總量。按照車質量1000kg，乘客質量75kg，車速0～120km/h，加速時間10s的假設，設置賦予Hinge的推力F0及M1和M2的重力值。F0可通過F＝ma及a＝（v1－v2）/t計算。由于測試過程并不是勻加速運動，所以計算此推力值只是為了賦予一個相對合理的數值。Pth1和Pth2相當于路軌，因此也將人和車的重力之和賦予OnCurve的強度參數。當M1和M2的RigidPointSet，SphereCollide及Length（Line）強度參數相當時，進行點網彈性擠壓時表現較穩定，不容易穿透掙脫。該值影響了點網上點與點間聯系的緊密程度。數值越小越容易散開，試驗結果表現出的過彎側傾也越大。相反，數值越大彈性越小，過彎時表現出的側傾也越小。因此，可通過該參數調整車的過彎姿態。同時，因為點與點間的緊密程度也影響運動過程中物體內部的能量消耗，此參數也會影響實際的加速表現。反復調試后，將其設為人車重力之和的一半。由于M1的Rigid-PointSet強度代表人體外形，所以設定為其他強度的0．9倍，具體參數如表1所示。M1和M2擠壓模擬的電池圖連接如圖9所示。這些設定可使M1和M2加速到最大速度所用時間與勻加速運動達到相同速度的時間相近。4．2測試過程與結果模擬運行開始后，M2在F0的推動和P2a，P2c，P2b，P2d的約束下，沿著Pth1和Pth2變加速運動，M1在P1的約束及M2的幫扶下沿著Pth0運動。運動過程中，M1和M2產生側傾，M1和M2相互擠壓。運行過程中，通過數據記錄器對P1，M1，M2點集的位置進行全程記錄。限于模擬計算機的運算能力，每25次迭代記錄1次M1和M2的位置，每次迭代都記錄P1的位置。計算P1前后兩次迭代的位置間距和時間間隔，用v＝s/t計算獲得相應的實時速度，進而獲得速度變化曲線圖，如圖8所示。由圖8中可見，運動的初始階段處于磨合期，速度和加速度經幾次振蕩，約130次迭代后平穩上升，第360次迭代時速度達到最高，隨后速度開始緩慢降低。速度變化過程如圖10所示。取與360次迭代最接近的350次迭代的M1和M2位置進行記錄，并對前后各兩次記錄進行分析。通過ClosestPoints功能為M1點集的每個點在M2點集中尋找最近點，與最近點間距越小的位置受擠壓的程度越高。分級設定顏色后獲得第300～400次迭代間M2受M1擠壓的受壓熱力圖，如圖11所示。然后按照M1和M2間臨近點距離由小到大對點集進行篩選，調整篩選比例直至可視點能較清晰地體現更高受壓區域。篩選比例為7％時顯示的區域較清晰，同時便于進一步的產品設計，如圖12所示。（a）300次（b）325次（c）350次（d）375次（e）400次從這5次記錄的篩選結果中可看出，整體受壓的升高和降低都較穩定，受壓分布特征明顯。在向左轉彎的過程中，模擬人M1右側腰部到左側肩部區域的后側，右側腰部、臀部、腿部右側，均有明顯的更高受壓。此外，因為M2對M1的包裹包括上臂、肩頸和頭部，因此這些部分也有一定的更高受壓，右側比左側受壓更明顯。該受壓分布情況和現實中駕駛員開車經過彎道的感受相符。如圖13所示。

5基于模擬結果的汽車乘客座椅設計

設計人員可依據文中模擬結果進行不同需求、不同風格的設計。也可根據自己設定的造型，使用上述方法進行測試和深化設計。因為此時無需考慮內部應力，所以可采用未經內應力消除處理的M2a作為設計雛形。以M2a為基礎重新建立曲面，將兩組受壓區域重合并以中線為軸進行鏡像，取其中半邊作為設計依據，如圖14所示。將座椅區域按設計風格需求劃分成若干小區間，根據文中所述單次過濾結果，調整過濾比例進行多級過濾，然后對不同劃分空間進行不同的針對性設計。例如，如果擠壓程度高的區域需要更多的支撐，則可為擠壓更大的區域設計專門的支撐結構。或者采用支撐更好的材料，其他區域采用更柔軟舒適的材料，同時根據實際需求可調整風格，如圖15所示。（a）風格1（b）風格2圖15中兩種風格的椅子都是基于過濾所得的點集進行設計的。風格1采用手動設計，設計人員在獲得受力點集后，通過觀察，手動將曲面劃分為多個區域，每個區域賦予針對性的材料。這種方法適合傳統設計人員，但如果要生成大量備選設計方案則還是有一定的局限。風格2通過Grasshopper生成，先設計基礎模塊，采用嵌套的方法生成由基礎模塊組成的以M1a為曲面造型的模塊組，再根據試驗結果進行篩選，僅保留有用的模塊并組合，最后進行細節處理并獲得設計方案，如圖16所示。這種方法可通過調整參數和更換基礎模塊快速獲得大量基于試驗結果的備選方案。設計人員的設計方式從注重設計結果向注重設計生成模式轉變。

6結論

利用Grasshopper及其物理模擬插件Kangaroo開發了一種汽車乘客座椅造型設計輔助方法，該方法使人體彈性點網和座椅彈性點網沿圓形路徑做變加速運動，模擬了汽車座椅和乘客在彎道運動過程中的相互擠壓，獲得了穩定的模擬人和模擬座椅的運動姿態、清晰的座椅受壓分布圖及可按比例過濾的相應點集。輸出的結果可用于設計初期快速定位問題，同時可作為深化設計的參考。該方法操作簡單，可靈活調整推力、質量、點網強度和運動半徑，根據需求獲得不同的運動姿態及模擬結果。以此結合其他參數化設計方法進行汽車座椅設計可快速獲得多樣化的有理造型，是工程測試方法與快速造型創意設計間的較好平衡點。文中僅考慮單層點網結構，僅限于表面的研究，后續研究可增加點網層數，以探索彈性物體的內部變化。

作者:戴梓毅 方海 單位:廣東工業大學