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原文传递个体化汽车坐垫设计及有限元分析

论文题名：	个体化汽车坐垫设计及有限元分析
关键词：	个体化;汽车坐垫;设计;臀部;有限元分析;生物力学模型;软组织;界面压力;内应力;人体;坐骨结节;压力测试系统;有限元仿真;舒适性;相互作用;分析模型;载荷;压力测试设备;软件;接触应力分析
摘要：	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舒适性好的坐垫来区分同类产品，以提升竞争力。但是设计一个新的、更舒适的坐垫不仅成本高，而且周期长。建立人体及坐垫的计算机模型进行坐垫的辅助设计将缩短这一过程。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。　　对于汽车司机来说，长时间的驾驶会使臀部承受长时间的压力，从而造成臀部严重的生理问题。当承受载荷时受影响最大的区域集中在骨头突起的地方，如坐骨结节、股骨大转子、骶骨及尾骨。对于那些感觉不到疼痛或者无法调整坐姿的司机来说，很容易产生组织的损伤和压力溃疡。在康复医学领域，防压疮坐垫的设计大多是基于组织-坐垫界面压力测试。因此，关于臀部软组织的内应力状态的信息就很少。为了释放臀部的压力，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以用于有限元仿真，仿真的结果与通过压力测试设备测得结果相比较，从力学角度来评价个体化坐垫对软组织的影响。　　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。为了设计臀部坐垫模型，首先通过激光扫描（VIVID910）扫描一个健康男性臀部及坐垫的轮廓并采用polygon editing tooling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，进而在UG里面构建成实体。另一方面，把压力传感器放置在平海绵坐垫上以测量臀部坐垫之间的界面压力。最后，利用CATIA格式导入到ANSYS软件中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，载荷施加后对臀部坐垫系统进行迭代计算。　　接着是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相一致。另外，高压力及高应力区域发生在右半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。备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垫是决定臀部坐垫界面主要因素，而有限元分析结果能够提供设计和选择汽车坐垫有用的信息。因此，与临床诊断需要很多相关设备相比，有限元分析是一种更有效的方法。
作者：	邓少元
专业：	机械设计及理论
导师：	邵明;李奎山
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华南理工大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文