導(dǎo)語(yǔ)：汽車(chē)乘客座椅造型設(shè)計(jì)方法一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

摘要：在進(jìn)行汽車(chē)乘客座椅造型設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮彎道行駛過(guò)程中人體和座椅間的壓力分布。針對(duì)該問(wèn)題，基于人體數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)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(diǎn)網(wǎng)，并使兩者在轉(zhuǎn)向推力、重力和彎道約束的共同作用下，沿圓形彎道運(yùn)動(dòng)并相互擠壓。記錄點(diǎn)網(wǎng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的不同位置，將各位置中兩點(diǎn)網(wǎng)間各點(diǎn)的距離轉(zhuǎn)換為受壓分布。研究發(fā)現(xiàn)：在運(yùn)動(dòng)姿態(tài)趨于平穩(wěn)且速度達(dá)到最大時(shí)，受壓分布情況穩(wěn)定且特征明顯。模擬結(jié)果有助于設(shè)計(jì)人員快速定位問(wèn)題，模擬中按比例獲得的和受壓分布相關(guān)的點(diǎn)集為設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步發(fā)揮創(chuàng)意提供了依據(jù)和參數(shù)化基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)座椅；造型設(shè)計(jì)；彈性表面擠壓模擬；體壓分布；Kangaroo

汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)涉及多方面因素，其中體壓分布是重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，是設(shè)計(jì)人員在對(duì)座椅進(jìn)行造型設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要參考因素。在基于體壓分布的相關(guān)汽車(chē)座椅研究中，陳雙等［1］建立了汽車(chē)座椅坐墊非線性數(shù)學(xué)模型；李金柱等［2］利用H點(diǎn)測(cè)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(tǒng)垂向動(dòng)力學(xué)模型；袁瓊等［4］結(jié)合加速傳感器分析了汽車(chē)行駛工況下的振動(dòng)舒適性；龍江等［5］利用人工蜂群算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了汽車(chē)座椅舒適性預(yù)測(cè)模型；肖燕等［6］利用虛擬人機(jī)系統(tǒng)仿真測(cè)試軟件的生成姿態(tài)功能進(jìn)行了特定汽車(chē)座椅環(huán)境下的舒適姿態(tài)預(yù)測(cè)。此外，在普通座椅體壓分布方面，Reiko等［7］利用監(jiān)測(cè)深度分析法研究了汽車(chē)座椅的體壓分布；Kim等［8］利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了能監(jiān)測(cè)坐姿的智能座椅；劉偉松等［9］結(jié)合問(wèn)卷與體壓測(cè)試分析法，針對(duì)個(gè)體差異進(jìn)行了靜態(tài)座面設(shè)計(jì)。上述研究為汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)提供了多樣化的方法與工具，較適合在汽車(chē)整體方案成形后將座椅舒適性與汽車(chē)設(shè)計(jì)相融合的過(guò)程中使用。如果對(duì)于彎道行駛與體壓分布的考慮在造型概念設(shè)計(jì)階段就開(kāi)始介入，則可幫助設(shè)計(jì)人員明確設(shè)計(jì)方向，提升設(shè)計(jì)概念的可行性。為適應(yīng)概念性設(shè)計(jì)過(guò)程中的大量發(fā)散性思維的情況，需要一種非真人測(cè)試的、能快速調(diào)整的簡(jiǎn)易模擬方法。Grasshopper是Rhino軟件的可視化編程設(shè)計(jì)插件，憑借可編譯性、可視性及可擴(kuò)展性成為應(yīng)用廣泛的參數(shù)化設(shè)計(jì)工具［10］，由設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)創(chuàng)意想象，計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)迭代計(jì)算［11］。建筑設(shè)計(jì)人員利用Grasshopper對(duì)建筑及環(huán)境進(jìn)行了相關(guān)分析。如文獻(xiàn)［12］對(duì)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行分析；文獻(xiàn)［13］對(duì)日照和炫光進(jìn)行分析并生成設(shè)計(jì)結(jié)果；文獻(xiàn)［14］通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬優(yōu)化建筑周邊樹(shù)木位置；文獻(xiàn)［15］將建筑模型轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)分析模型。Kangaroo是Grasshopper的物理模擬插件［16］，文中利用該插件對(duì)汽車(chē)彎道運(yùn)行過(guò)程中人體和座椅間的接觸情況進(jìn)行模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)乘客座椅進(jìn)行造型設(shè)計(jì)。

1設(shè)計(jì)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(jiǎn)易的彎道運(yùn)行測(cè)試環(huán)境，使兩個(gè)表面在變加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相互擠壓，模擬在移動(dòng)過(guò)程中座椅與人體間的接觸關(guān)系，并嘗試將模擬結(jié)果直接用于造型設(shè)計(jì)。由于駕駛員座椅涉及駕駛操作等其他復(fù)雜因素，因此文中僅探討非駕駛位獨(dú)立乘客座椅的設(shè)計(jì)。建立彈性表面時(shí)，以點(diǎn)為單元，每個(gè)點(diǎn)只和相鄰的點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，通過(guò)點(diǎn)網(wǎng)模擬物體特性，通過(guò)調(diào)整相鄰點(diǎn)的關(guān)系調(diào)整物理特性。以數(shù)據(jù)庫(kù)中已建立好的人體模型為基礎(chǔ)，生成規(guī)律簡(jiǎn)單的彈性網(wǎng)格點(diǎn)陣M1及用來(lái)模擬座椅基本包裹的彈性網(wǎng)格點(diǎn)陣M2。使M1和M2的空間位置關(guān)系近似為落座后人與座椅的空間位置關(guān)系，M1和M2間互不固定。使M1和M2沿指定的彎曲路徑運(yùn)動(dòng)一段距離。監(jiān)測(cè)M1和M2上每個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，以判斷兩個(gè)點(diǎn)網(wǎng)的相互擠壓情況，并轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)壓力分布。點(diǎn)經(jīng)設(shè)計(jì)人員按需求篩選后，可直接用于后續(xù)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)流程如圖1所示。研究過(guò)程需借助的CAD/CAE工具包括人機(jī)工程軟件Jack、CAD建模軟件Rhino、Rhino的參數(shù)化設(shè)計(jì)插件Grasshopper及其物理模擬插件Kangaroo。Jack主要用于從人體數(shù)據(jù)庫(kù)及特定姿勢(shì)生成器中生成人體坐姿模型。Grasshopper和Kangaroo用于模擬運(yùn)動(dòng)過(guò)程并獲得數(shù)據(jù)結(jié)果。Rhino的其他功能用于在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行造型設(shè)計(jì)。

2彈性點(diǎn)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)

在Kangaroo中，Length（Line）功能可將兩個(gè)點(diǎn)用一條具有彈性的線連接，該線的長(zhǎng)度可盡量保持在設(shè)定的長(zhǎng)度，保持該長(zhǎng)度的強(qiáng)度也可被設(shè)定。通過(guò)設(shè)定點(diǎn)網(wǎng)中相鄰點(diǎn)間線的長(zhǎng)度和保持長(zhǎng)度的強(qiáng)度，建立一張可設(shè)定彈性強(qiáng)度的網(wǎng)。SphereCollide功能可用于模擬點(diǎn)網(wǎng)內(nèi)點(diǎn)的相互碰撞。點(diǎn)網(wǎng)內(nèi)任意點(diǎn)會(huì)根據(jù)所設(shè)定的抗拒強(qiáng)度，盡量將其他點(diǎn)的抗拒范圍限制在自己的抗拒范圍外?？咕芊秶赏ㄟ^(guò)抗拒半徑設(shè)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(diǎn)陣中各點(diǎn)的相對(duì)位置，保持位置的強(qiáng)度可設(shè)定。將Length（Line）及SphereCollide的功能配合，Length（Line）限制點(diǎn)集過(guò)度擴(kuò)散，SphereCollide限制點(diǎn)集過(guò)度收縮，RigidPointSet限制點(diǎn)集過(guò)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(diǎn)網(wǎng)。對(duì)點(diǎn)網(wǎng)進(jìn)行不同的參數(shù)設(shè)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(cè)試，并非最終座椅與人體的接觸面。（1）點(diǎn)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)?；诙噙呅谓＃∕esh）的點(diǎn)網(wǎng)一般以四邊形或三角形排布。四邊形結(jié)構(gòu)在變形過(guò)程中更靈活，但容易變形。三角形結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)很難貼合于人體表面。最終選定四邊形結(jié)構(gòu)作為試驗(yàn)點(diǎn)網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)。同時(shí)因?yàn)橛蠸phereCollide和RigidPointSet的配合，四邊形結(jié)構(gòu)點(diǎn)網(wǎng)的過(guò)度變形問(wèn)題得以解決。（2）初始面的搭建。依據(jù)設(shè)計(jì)需要，從人機(jī)工程模擬軟件Jack中提取放松坐姿下的人體模擬Mesh模型?？拷M人體模型建立四邊形排布的Mesh面。依據(jù)試驗(yàn)物件大小及試驗(yàn)設(shè)備實(shí)際情況，使四邊形單元格邊長(zhǎng)設(shè)定為20mm，并用Length（Line）保持每個(gè)單元格邊的原有長(zhǎng)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(diǎn)網(wǎng)雛形（M1a）的成形。在符合右手定則的xyz三維坐標(biāo)系中，以－y為前，＋z為上。向Mesh面上各點(diǎn)施以方向?yàn)椋?，－1，1），大小在Kangaroo中計(jì)為1的力。用OnMesh功能使每個(gè)點(diǎn)趨向人體模型表面。解算過(guò)程中，M0朝向人體模型運(yùn)動(dòng)并逐漸吸附在人體模型表面上。當(dāng)M0獲得足夠的人體形狀時(shí)停止解算并獲得M1a，如圖3所示。（4）座椅基礎(chǔ)試驗(yàn)點(diǎn)網(wǎng)雛形（M2a）的成形。M2a的成形過(guò)程和M1a大致相同，不同點(diǎn)在于OnMesh功能的使用及停止解算的時(shí)機(jī)。M2a成形不使用OnMesh功能，同時(shí)因?yàn)樵O(shè)計(jì)目的是為輔助設(shè)計(jì)人員而不是追求唯一解，所以，停止計(jì)算的時(shí)間由設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需求或主觀判斷決定，如圖4所示。（5）內(nèi)應(yīng)力消除及彈性表面的搭建。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，M1a和M2a不能直接用于搭建彈性表面，因?yàn)樵谖闹兴龀尚芜^(guò)程中，單元四邊形的邊長(zhǎng)會(huì)發(fā)生很大的變化。如果直接使用其模擬人體及座椅，則點(diǎn)集在試驗(yàn)形體表面內(nèi)會(huì)發(fā)生移動(dòng)而影響受力趨勢(shì)的判斷。同時(shí)被拉長(zhǎng)的單元格會(huì)造成兩個(gè)試驗(yàn)體在模擬中相互穿透。因此，搭建彈性表面前須先消除內(nèi)應(yīng)力，使單元格邊長(zhǎng)即相鄰點(diǎn)的距離恢復(fù)基本相等。此時(shí)，該長(zhǎng)度不能再以原長(zhǎng)度設(shè)定，需計(jì)算相鄰點(diǎn)距的平均值（Lavg）并將其設(shè)定為L(zhǎng)ength（Line）功能的目標(biāo)值。同時(shí)使用SphereCollide功能限制過(guò)度收縮，SphereCollide碰撞半徑Ra設(shè)置為相鄰點(diǎn)距的一半，相鄰點(diǎn)距離平均值為：Lavg=1NNi=1ΣLi（1）式中：N———相鄰點(diǎn)對(duì)數(shù)；Li———第i對(duì)相鄰點(diǎn)距離，mm。Ra=12Lavg（2）式中：Ra———在SphereCollide中設(shè)置的點(diǎn)的碰撞半徑，mm。模擬運(yùn)算開(kāi)始后，相鄰點(diǎn)距趨于相等，待形狀基本靜止時(shí)停止計(jì)算。M1a和M2a消除內(nèi)應(yīng)力后獲得M1和M2。生成M1和M2的整體流程及結(jié)果如圖5和圖6所示。

3測(cè)試環(huán)境搭建

3．1虛擬環(huán)境單位的設(shè)置及與現(xiàn)實(shí)單位的對(duì)應(yīng)。Kangaroo中沒(méi)有具體的單位設(shè)定，但物理單位間的關(guān)系與現(xiàn)實(shí)世界相同。其中，力的模擬通過(guò)一元力（unary）的方式實(shí)現(xiàn)。例如，根據(jù)F＝mg，通過(guò)給某個(gè)點(diǎn)或點(diǎn)集施以z軸負(fù)向的力來(lái)實(shí)現(xiàn)物體的質(zhì)量。時(shí)間由運(yùn)算迭代次數(shù)體現(xiàn)，如果1個(gè)長(zhǎng)度單位對(duì)應(yīng)1m，則一次迭代代表1s。如果對(duì)應(yīng)1cm，則一次迭代代表0．01s。因?yàn)樵囼?yàn)物件尺寸跨度大，所以試驗(yàn)以cm，N•cm，cm/s等為單位組合，但文中所述單位均按閱讀習(xí)慣進(jìn)行轉(zhuǎn)換。3．2座椅移動(dòng)模擬。測(cè)試環(huán)境的搭建，需設(shè)立M1和M2的載荷、運(yùn)動(dòng)路徑和相關(guān)約束。在載荷和運(yùn)動(dòng)路徑方面，現(xiàn)實(shí)中的彎道形狀多變，汽車(chē)動(dòng)力施力方向始終與前進(jìn)方向一致，駕駛員會(huì)根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整施力大小。Kangaroo解算器不能根據(jù)解算結(jié)果實(shí)時(shí)更改解算條件，要實(shí)現(xiàn)施力方向根據(jù)前進(jìn)方向?qū)崟r(shí)更新比較復(fù)雜，因此考慮了兩種替代項(xiàng)。第1種使測(cè)試物在恒定方向力F0的作用下沿某設(shè)定曲線運(yùn)動(dòng)，如圖7a所示，優(yōu)點(diǎn)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(shè)定各種形狀的路徑。但過(guò)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(xiàn)實(shí)情況出入較大。第2種使測(cè)試物體做圓周運(yùn)動(dòng)至某角度。這種方法無(wú)法模擬多變的曲線路徑，但可使施力方向始終與運(yùn)動(dòng)方向一致，與測(cè)試目的及實(shí)際情況較相符。試驗(yàn)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(zhuǎn)推力及圓形路徑通過(guò)RigidPointSet可將某點(diǎn)與點(diǎn)網(wǎng)綁定，并以該點(diǎn)作為施力點(diǎn)代替整體受力。按照?qǐng)D8所示，分別對(duì)與M2和M1相關(guān)的元素進(jìn)行設(shè)置。對(duì)于M2，P2是M2幾何中心的地面投影，與M2綁定后對(duì)其施力可模擬來(lái)自座椅下方的動(dòng)力。Pth0是運(yùn)動(dòng)路徑，Pth1，Pth2是Pth0向內(nèi)外各偏移相同距離所得的內(nèi)外引導(dǎo)線。D為M2點(diǎn)網(wǎng)最前點(diǎn)的地面投影。P2a，P2b，P2c，P2d為引導(dǎo)點(diǎn)，與M2綁定。P2a，P2c的運(yùn)動(dòng)通過(guò)OnCurve限制在Pth1上，P2b和P2d的運(yùn)動(dòng)限制在Pth2上。為使受力均勻，施力點(diǎn)P2與D及4個(gè)引導(dǎo)點(diǎn)間的距離一致。對(duì)于M1，P1是M1的施力點(diǎn)，也是引導(dǎo)點(diǎn)。P1與P2重合可使M1與M2同步運(yùn)動(dòng)。P1的運(yùn)動(dòng)限制在Pth0上。M1和M2的動(dòng)力由Hinge功能提供。Hinge通過(guò)對(duì)P1和P2施加動(dòng)力F0帶動(dòng)M1和M2沿Pth0旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)359°后到達(dá)Px。旋轉(zhuǎn)軸及Px都需通過(guò)Anchor功能完全固定于地面上。

4參數(shù)設(shè)置、測(cè)試過(guò)程及結(jié)果

4．1參數(shù)設(shè)置。根據(jù)人機(jī)工程通常做法，通用座椅需提取相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中5百分位女性、50百分位男性、95百分位男性3組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。文中主要探討Kangaroo中體壓分布結(jié)果的模擬方法，因此僅提取其中1個(gè)百分位進(jìn)行分析。對(duì)應(yīng)假設(shè)情況，從Jack軟件中提取95百分位中國(guó)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(yīng)的施力點(diǎn)和引導(dǎo)點(diǎn)。根據(jù)高速公路匝道設(shè)計(jì)一般原則和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［17］建議的高速公路匝道設(shè)計(jì)最小半徑設(shè)定運(yùn)動(dòng)路徑。根據(jù)一般日用小汽車(chē)寬度的一半設(shè)置引導(dǎo)線偏移總量。按照車(chē)質(zhì)量1000kg，乘客質(zhì)量75kg，車(chē)速0～120km/h，加速時(shí)間10s的假設(shè)，設(shè)置賦予Hinge的推力F0及M1和M2的重力值。F0可通過(guò)F＝ma及a＝（v1－v2）/t計(jì)算。由于測(cè)試過(guò)程并不是勻加速運(yùn)動(dòng)，所以計(jì)算此推力值只是為了賦予一個(gè)相對(duì)合理的數(shù)值。Pth1和Pth2相當(dāng)于路軌，因此也將人和車(chē)的重力之和賦予OnCurve的強(qiáng)度參數(shù)。當(dāng)M1和M2的RigidPointSet，SphereCollide及Length（Line）強(qiáng)度參數(shù)相當(dāng)時(shí)，進(jìn)行點(diǎn)網(wǎng)彈性擠壓時(shí)表現(xiàn)較穩(wěn)定，不容易穿透掙脫。該值影響了點(diǎn)網(wǎng)上點(diǎn)與點(diǎn)間聯(lián)系的緊密程度。數(shù)值越小越容易散開(kāi)，試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出的過(guò)彎側(cè)傾也越大。相反，數(shù)值越大彈性越小，過(guò)彎時(shí)表現(xiàn)出的側(cè)傾也越小。因此，可通過(guò)該參數(shù)調(diào)整車(chē)的過(guò)彎姿態(tài)。同時(shí)，因?yàn)辄c(diǎn)與點(diǎn)間的緊密程度也影響運(yùn)動(dòng)過(guò)程中物體內(nèi)部的能量消耗，此參數(shù)也會(huì)影響實(shí)際的加速表現(xiàn)。反復(fù)調(diào)試后，將其設(shè)為人車(chē)重力之和的一半。由于M1的Rigid-PointSet強(qiáng)度代表人體外形，所以設(shè)定為其他強(qiáng)度的0．9倍，具體參數(shù)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(shè)定可使M1和M2加速到最大速度所用時(shí)間與勻加速運(yùn)動(dòng)達(dá)到相同速度的時(shí)間相近。4．2測(cè)試過(guò)程與結(jié)果模擬運(yùn)行開(kāi)始后，M2在F0的推動(dòng)和P2a，P2c，P2b，P2d的約束下，沿著Pth1和Pth2變加速運(yùn)動(dòng)，M1在P1的約束及M2的幫扶下沿著Pth0運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，M1和M2產(chǎn)生側(cè)傾，M1和M2相互擠壓。運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)數(shù)據(jù)記錄器對(duì)P1，M1，M2點(diǎn)集的位置進(jìn)行全程記錄。限于模擬計(jì)算機(jī)的運(yùn)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(jì)算P1前后兩次迭代的位置間距和時(shí)間間隔，用v＝s/t計(jì)算獲得相應(yīng)的實(shí)時(shí)速度，進(jìn)而獲得速度變化曲線圖，如圖8所示。由圖8中可見(jiàn)，運(yùn)動(dòng)的初始階段處于磨合期，速度和加速度經(jīng)幾次振蕩，約130次迭代后平穩(wěn)上升，第360次迭代時(shí)速度達(dá)到最高，隨后速度開(kāi)始緩慢降低。速度變化過(guò)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(jìn)行記錄，并對(duì)前后各兩次記錄進(jìn)行分析。通過(guò)ClosestPoints功能為M1點(diǎn)集的每個(gè)點(diǎn)在M2點(diǎn)集中尋找最近點(diǎn)，與最近點(diǎn)間距越小的位置受擠壓的程度越高。分級(jí)設(shè)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(diǎn)距離由小到大對(duì)點(diǎn)集進(jìn)行篩選，調(diào)整篩選比例直至可視點(diǎn)能較清晰地體現(xiàn)更高受壓區(qū)域。篩選比例為7％時(shí)顯示的區(qū)域較清晰，同時(shí)便于進(jìn)一步的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，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(jié)果中可看出，整體受壓的升高和降低都較穩(wěn)定，受壓分布特征明顯。在向左轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中，模擬人M1右側(cè)腰部到左側(cè)肩部區(qū)域的后側(cè)，右側(cè)腰部、臀部、腿部右側(cè)，均有明顯的更高受壓。此外，因?yàn)镸2對(duì)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(cè)比左側(cè)受壓更明顯。該受壓分布情況和現(xiàn)實(shí)中駕駛員開(kāi)車(chē)經(jīng)過(guò)彎道的感受相符。如圖13所示。

5基于模擬結(jié)果的汽車(chē)乘客座椅設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員可依據(jù)文中模擬結(jié)果進(jìn)行不同需求、不同風(fēng)格的設(shè)計(jì)。也可根據(jù)自己設(shè)定的造型，使用上述方法進(jìn)行測(cè)試和深化設(shè)計(jì)。因?yàn)榇藭r(shí)無(wú)需考慮內(nèi)部應(yīng)力，所以可采用未經(jīng)內(nèi)應(yīng)力消除處理的M2a作為設(shè)計(jì)雛形。以M2a為基礎(chǔ)重新建立曲面，將兩組受壓區(qū)域重合并以中線為軸進(jìn)行鏡像，取其中半邊作為設(shè)計(jì)依據(jù)，如圖14所示。將座椅區(qū)域按設(shè)計(jì)風(fēng)格需求劃分成若干小區(qū)間，根據(jù)文中所述單次過(guò)濾結(jié)果，調(diào)整過(guò)濾比例進(jìn)行多級(jí)過(guò)濾，然后對(duì)不同劃分空間進(jìn)行不同的針對(duì)性設(shè)計(jì)。例如，如果擠壓程度高的區(qū)域需要更多的支撐，則可為擠壓更大的區(qū)域設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的支撐結(jié)構(gòu)。或者采用支撐更好的材料，其他區(qū)域采用更柔軟舒適的材料，同時(shí)根據(jù)實(shí)際需求可調(diào)整風(fēng)格，如圖15所示。（a）風(fēng)格1（b）風(fēng)格2圖15中兩種風(fēng)格的椅子都是基于過(guò)濾所得的點(diǎn)集進(jìn)行設(shè)計(jì)的。風(fēng)格1采用手動(dòng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員在獲得受力點(diǎn)集后，通過(guò)觀察，手動(dòng)將曲面劃分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域賦予針對(duì)性的材料。這種方法適合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，但如果要生成大量備選設(shè)計(jì)方案則還是有一定的局限。風(fēng)格2通過(guò)Grasshopper生成，先設(shè)計(jì)基礎(chǔ)模塊，采用嵌套的方法生成由基礎(chǔ)模塊組成的以M1a為曲面造型的模塊組，再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行篩選，僅保留有用的模塊并組合，最后進(jìn)行細(xì)節(jié)處理并獲得設(shè)計(jì)方案，如圖16所示。這種方法可通過(guò)調(diào)整參數(shù)和更換基礎(chǔ)模塊快速獲得大量基于試驗(yàn)結(jié)果的備選方案。設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)方式從注重設(shè)計(jì)結(jié)果向注重設(shè)計(jì)生成模式轉(zhuǎn)變。

6結(jié)論

利用Grasshopper及其物理模擬插件Kangaroo開(kāi)發(fā)了一種汽車(chē)乘客座椅造型設(shè)計(jì)輔助方法，該方法使人體彈性點(diǎn)網(wǎng)和座椅彈性點(diǎn)網(wǎng)沿圓形路徑做變加速運(yùn)動(dòng)，模擬了汽車(chē)座椅和乘客在彎道運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相互擠壓，獲得了穩(wěn)定的模擬人和模擬座椅的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、清晰的座椅受壓分布圖及可按比例過(guò)濾的相應(yīng)點(diǎn)集。輸出的結(jié)果可用于設(shè)計(jì)初期快速定位問(wèn)題，同時(shí)可作為深化設(shè)計(jì)的參考。該方法操作簡(jiǎn)單，可靈活調(diào)整推力、質(zhì)量、點(diǎn)網(wǎng)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)半徑，根據(jù)需求獲得不同的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及模擬結(jié)果。以此結(jié)合其他參數(shù)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)可快速獲得多樣化的有理造型，是工程測(cè)試方法與快速造型創(chuàng)意設(shè)計(jì)間的較好平衡點(diǎn)。文中僅考慮單層點(diǎn)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，僅限于表面的研究，后續(xù)研究可增加點(diǎn)網(wǎng)層數(shù)，以探索彈性物體的內(nèi)部變化。

作者:戴梓毅 方海 單位:廣東工業(yè)大學(xué)