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基于人体生物力学分析的汽车座椅结构优化设计研究
| 论文题名： | 基于人体生物力学分析的汽车座椅结构优化设计研究 |
| 关键词： | 汽车座椅;生物力学;有限元模型;参数优化;结构设计;被动安全性 |
| 摘要： | 随着汽车数量的增加和行驶速度的不断提高，交通事故的发生率也不断提高。汽车发生追尾后碰撞时，两车碰撞的相对速度虽然不算很高，但对人体的伤害不容小视，伤害部位主要是头颈部，颈部损伤尤为严重。汽车座椅是汽车的重要装置之一，座椅结构设计参数的变化深刻地影响着颈部损伤程度，优化座椅结构的设计参数，提高汽车座椅的被动安全性能，是减轻后碰撞事故中乘员颈部损伤的有效方法。 本文在认真分析座椅结构和测绘实际座椅尺寸的基础上，建立了简化的座椅几何模型，在有限元前处理软件中进行座椅有限元网格划分，完成座椅有限元模型的建立。人体上半身模型包括头骨、椎骨、锁骨、肩胛骨、肋骨、肋软骨、盆骨、椎间盘和韧带等组织。首先利用逆向工程软件进行人体骨组织的几何模型的重建，再进行有限元网格映射，完成人体骨骼有限元模型的建立。将座椅及人体模型的所有部件连接组装成人-座椅系统有限元模型，检查网格质量，设置单元属性和接触方式。 本文既验证了座椅有限元模型的有效性，也验证了后碰撞中人-座椅系统有限元模型的有效性，这两次验证的数据都与实验数据基本吻合。对经过验证有效的有限元模型施加碰撞载荷，设定边界条件，进行后碰撞仿真模拟，得到颈部椎骨及椎间盘应力应变参数，其中颈椎椎骨C2、C6及C7的应力应变值较大，颈椎间盘C4-C5、C5-C6的应力应变值较大。 运用正交试验设计方法，合理安排试验因素及水平，本研究进行了18次后碰撞仿真模拟试验。根据仿真试验计算结果，以颈椎椎骨C2、C6、C7及颈椎间盘C4-C5、C5-C6的应力应变值为评价指标，分析了座椅设计参数对颈部受力的影响。依据座椅设计参数对颈部损伤影响的大小，确定了座椅设计参数的优化组合方案，对优化方案的有限元模型进行仿真验证，通过与初选方案的数据对比，可以发现采用优化方案的座椅设计参数能够降低后碰撞中乘员颈部损伤的风险，从而确定了优化方案的有效性。 本研究表明通过减小头后间隙、增加头枕高度、缩小头枕与靠背的距离、选取适中的靠背倾角、坐垫倾角、头枕刚度及靠背刚度，有助于提高后碰撞中汽车座椅的被动安全性，减轻乘员颈部损伤。 |
| 作者： | 程大伟 |
| 专业： | 机械制造及其自动化 |
| 导师： | 薛强 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津科技大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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