(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210684072.7 (22)申请日 2022.06.16 (71)申请人 吉林大学 地址 130000 吉林省长 春市前进大街269 9 号 (72)发明人 任金东　戚诗敏　杜若愚　潘博宇　 刘欣　郭思媛　张天明　马明洋　 (74)专利代理 机构 深圳市广诺专利代理事务所 (普通合伙) 44611 专利代理师 赵耀 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种通过有限元方法预测驾乘人员颈部舒 适度的方法 (57)摘要 本发明提供一种通过有限元方法预测驾乘 人员颈部舒适度的方法， 涉及汽车人机工程领 域。 该预测驾乘人员颈部舒适度的方法包括步骤 一： 首先进行颈部姿态测量实验和颈部舒适度主 观评价实验， 建立对于驾乘人员颈部所处姿势舒 适度的评价标准； 步骤二： 对汽车座椅进行有限 元仿真， 获取驾乘人员人体模型的颈部姿势角 度； 步骤三： 将步骤二仿真所得颈部姿势角度与 步骤一所建立的评价标准进行对比， 预测驾乘人 员的颈部舒适度。 该预测驾乘人员颈部舒适度的 方法在座椅样件制作前便实现对乘坐者颈部舒 适性的预测， 在设计阶段就能对座椅不满足舒适 性要求的地方进行修改， 从而明显缩短设计周 期。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 115099087 A 2022.09.23 CN 115099087 A 1.一种通过有限元 方法预测驾乘人员颈 部舒适度的方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤一： 首先进行颈部姿态测量实验和颈部舒适度主观评价实验， 建立对于驾乘人员 颈部所处姿势舒 适度的评价标准； 步骤二： 对 汽车座椅进行有限元仿真， 获取驾乘人员人体模型的颈 部姿势角度； 分别建立人体和座椅的几何模型， 人体几何模型包括骨骼、 软组织、 皮肤等部位， 在 Hypermesh软件中对的人体几何模型和座椅几何模型进行模型简化和网格划分， 获得相应 的有限元模型； 其中： 人体软组织采用非线性、 超弹性、 不可压缩的Mooney ‑Rivlin材料进行模拟， 其应 变能函数如下： 其中， U为应变能、 和 分别为Cauchy ‑Green等容形式张量的第一和第二不变量、 J为 材料变形前后的体积比、 C10和C01为剪切模量、 D1为体积模量； 步骤三： 将步骤二仿真所得颈部姿势角度与步骤一所建立的评价标准进行对比， 预测 驾乘人员的颈 部舒适度。 2.根据权利要求1所述的一种通过有限元方法预测驾乘人员颈部舒适度的方法， 其特 征在于， 步骤一两个实验在自制的实验座椅上进行， 所述实验座椅的头枕具有上下调节行 程和前后调节行程， 所述上下调节行程用于适应不同身材 的被试人员的头部位置， 所述前 后调节行程用于实验过程中改变头枕的前突 量， 从而改变 被试人员的颈 部姿势； 步骤一所述的实验， 具体步骤如下： 1)选取一定数量的被试人员， 所述被试人员选取范围应尽可能广， 包含不同性别、 身高 及胖瘦等特 征； 2)被试人员落座， 保持背部紧贴所述实验座椅的靠背板， 实验人员调整实验座椅头枕 的前后行程为零， 同时调整所述实验座椅头枕的上下行程， 使其与被试人员头部位置相适 应， 作为被试 人员头颈部的初始位置； 3)实验人员按一定步长调节所述座椅前后行程， 增加头枕前突量， 从而使被试人员 头 部前倾， 颈部姿势发生变化， 相应地， 颈部舒适度也发生变化， 所述颈部舒适度分为三个范 围， 分别是： 舒适； 不舒适， 能接受； 不舒适， 不能接受， 从头颈部的初始位置开始， 在不 断增 加所述头枕前突量的过程中， 每个舒适度范围均存在一个极限位置， 根据被试人员的主观 评价确定前述 三个舒适度范围的极限位置； 4)实验的同时， 记录所述被试人员位于每个极限位置的颈部姿势， 所述颈部姿势为被 试人员胯点到 颈－胸关节点和颈－胸关节点到 头－颈关节点连线的夹角； 5)处理实验数据， 计算颈 部舒适角度范围， 建立颈 部舒适度评价标准。 3.根据权利要求1所述的一种通过有限元方法预测驾乘人员颈部舒适度的方法， 其特 征在于， 步骤二所述的有限元仿真， 具体步骤 还包括： 1)将所述人体和座椅的有限元模型导入Abaqus中进行装配， 调整所述人体有限元模型 与所述座椅有限元模型 的相对位置， 在计算开始前应保证两者不干涉 的前提下， 尽量使两 者靠近； 其中， 所述人体各骨骼间采用 “Hinge”连接， 以模拟关节的转动， 所述人体骨骼与软权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115099087 A 2组织、 软组织与皮肤之间均采用 “Tie”绑定； 约束所述人体有限元模型脚底的自由度， 模拟 车身地板对人体的支撑； 约束所述座椅有限元模型中座椅骨架六个方向的自由度； 所述人 体有限元模型与所述座椅有限元模型之间采用通用接触， 其切向接触属性为 “罚函数”， 摩 擦因数为0.3； 2)载荷的施加通过两个分析步完成； 3)计算完成后， 在Abaqus后处理界面中， 查询所述人体有限元模型最终状态的头－颈 关节点、 颈－胸关节点以及胯点 坐标， 通过 此三点坐标计算可 得所述颈部姿势角度。 4.根据权利要求3所述的一种通过有限元方法预测驾乘人员颈部舒适度的方法， 其特 征在于， 载荷的施加通过两个分析步包括： 分析步一： 对所述人体有限元模型施加重力场， 重力场施加时长要求能使计算达到稳 定， 即所述人体有限元模型在所述 座椅有限元模型 上平稳落 座； 分析步二： 在所述人体有限元模型的颈部施加扭矩， 使得其头部靠上头枕， 所述扭矩值 通过骨肌生物力学计算获得。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115099087 A 3