1、基于体压分布分析的 FSAE 碳纤维座椅设计摘 要近年来，在 fsae 赛事中，碳纤维由于本身优异的材料性能得到了广泛的应用，同时车手对于赛车的乘坐舒适性的要求在也在不断提高。人体各部位对压力的承受能力不同，借助座椅压力分布，研究成员可以了解到车手各部位的压力分布，从而指导碳纤维座椅的设计及制作。 关键词FSAE 碳纤维座椅 体压分布 中图分类号：U463.82+9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）08-0362-01 关于坐姿舒适性的研究方法较多，如人体测量、肌电分析、姿势分析、体压分布、椎间盘内压分析、生物力学分析、生理测试、主观绩效评定、行为分析等，2003 年，
2、Looze1等几乎使用所有的坐姿舒适性的研究方法，对坐姿舒适性进行分析，结果发现人体压力分布与舒适性主观评价结果相关性最为显著2。 国内外在研究压力分布与座椅舒适性时主要采用以下两种方法：主观评价试验法和仿真实验。由于 FSAE 座椅设计主要面向车队车手，车手为 4 人人数较少且体形分布较为均匀，所以本文在研究压力分布与座椅舒适性的相关性时主要采用主观评价试验法，探讨 FSAE 赛车采用斜躺驾驶姿时各个工况（匀速行驶、转向、加速、减速）下的压力分布。从而为以后的赛车座椅设计制作提供参考数据。 1 实验对象和方法 1.1 实验对象及实验用座椅实物制作 实验对象为吉速车队 15 年参赛的 4 位车
3、手，且车手均为男性。身高均在 175CM 左右，依据每位车手的反馈意见，不断修改座椅毛坯及油泥模型，直至车手感觉舒适为止，后经过两次翻模，制作出实验用碳纤维座椅。 1.2 实验设备 Tekscan 人体压力分布测量系统 7.10C，这套系统包括了 USB 数据撷取器、操作软件和薄膜压力感测片（感测垫） ，美国 Tekscan 公司。实验用碳纤维座椅。赛车车架。 1.3 实验方法 在 Tekscan 软件平台准备就绪后，请被试者以正常的斜躺驾驶姿态坐在车架中的座椅上，待软件界面实时显示的压力分布稳定，准备就绪后开始进行以下四种工况下的体压分布测量。 1.3.1 匀速运动状态体压分布测量： 将体压
4、坐垫布置在车手背部、臀部及车手侧面，让车手以正常驾驶姿势乘坐于赛车内，采集约 180s 的动态压力分布。 1.3.2 加速运动状态体压分布测量： 将体压坐垫布置在车手背部、臀部及车手侧面，让车手以正常驾驶姿势乘坐于赛车内，测出赛车加速时的实际加速度，并以一定角度纵向倾斜赛车（将车架前端抬起） ，采集约 180s 的动态压力分布。 1.3.3 转向运动状态体压分布测量： 将体压坐垫布置在车手背部、臀部及车手侧面，让车手以正常驾驶姿势乘坐于赛车内，测出赛车加速时的实际加速度，并以一定角度横向倾斜赛车，采集约 180s 的动态压力分布。 1.3.4 刹车运动状态体压分布测量： 将体压坐垫布置在车手背
5、部、臀部及车手侧面，让车手以正常驾驶姿势乘坐于赛车内，用力将踏板踩到极限位置。测出赛车加速时的实际加速度，并以一定角度纵向倾斜赛车（将车架后端抬起） ，采集约 180s的动态压力分布。 1.3.5 数据处理 Tekscan 人体压力测量系统可以直接读出压力峰值、接触面积及各测量点处压力值随时间变化关系。 1.4 体压实验结果与讨论。 对比图像发现，在四种工况的体压分布图中，车手臀部两侧压力均保持较高水平，且变化不大，对车手各种工况下均能提供较好的刚度支持。 车手采用斜躺的驾驶姿势，斜躺姿势时坐骨结节处压力较乘用车正坐时压力集中分布的坐骨结节区域的压力值有所减少。在四种工况中变化较大的区域为背部
6、区域，由于赛车在比赛过程中不断变换各种工况，因此，要设计一个舒适的座椅必须在静态的基础上综合考虑动态情况下的舒适度变化情况，Goonetilleke3等建立了一个理想模型描述了舒适度与压力大小、坐姿时间的关系图。如图 1.45 所示 在匀速行工况下，背部压力值与传统正坐姿势升高较为显著。测的座椅表面压力动态值为 30-70kpa，车手单次乘坐时间最长约为 10 分钟，处于可接受范围内。 1. 在转向工况下，压力中心向座椅转向外侧移动，对比峰值发现座椅表面压力有较大增强，从 30-70kpa 增长为 120-150kpa。且转向外侧臀部压力范围增大，转向内侧臀部压力范围略有减小。 2. 在加速工
7、况下，车手背部压力明显升高，峰值达到 235kpa，持续时间为 4 秒。 3. 在制动状况下，车手背部压力减小，制动产生的减速度主要由安全带提供，座椅受力相对匀速、转向、加速工况较小。 2.碳纤维座椅设计 使用逆向建模的方法，提取出座椅表面，建立座椅模型。使用Ansys15.0 的 ACP 模块对座椅模型进行碳纤维铺层建模，在 workbench 里依据体压分布实验得到的 4 种工况下的压力分布及大小施加压强载荷，经分析，最终铺层选择为 4 层 6kT300 碳纤维编织布、交叉 45铺设时满足强度要求，进行座椅最终成品的制作。 3.结语 研究 FSAE 赛车座椅的动态体压分布特征，以此来确定座椅的在不同工况下的受力方向及载荷大小，为以后指导赛车碳纤维座椅受力分析提供参考依据，并且用于指导碳纤维座椅碳布的铺层设计，以达到强度要求。 参考文献 1De Looze M P，Kuijt-Evers L F M，Van die？nJ. Sitting comfort and discomfort and the relationships with objective measuresJ. Ergonomics，2003，46（10）：985?C997 2宋海燕，张建国，王 芳.坐高变化对人体坐姿体压分布的影响A.天津：天津科技大学，2012.
