一种座椅体压仿真结果提取方法

1.本发明属于汽车人机工程学技术领域，具体涉及一种座椅体压仿真结果提取方法。


背景技术：

2.体压特性是汽车座椅重要的静态属性之一，它指的是在驾乘人员以一定姿势落座于座椅后，当座椅与乘员保持稳定时两者间由于接触载荷与材料变形所产生的压强特征，具体包括数值特性和分布特性两方面。汽车座椅的体压数值应该在合理的范围内：一方面过大的局部体压会使人体组织内应力增大导致异物感，且长时间的过大体压会使人体组织缺氧受累导致压力损伤；另一方面不足的体压会导致座椅的支撑性不强，从而导致驾乘姿势的恶化从而引起疲劳等。汽车座椅的体压分布也应合理：一般峰值体压应位于坐骨结节下方，此处承受了来自大部分体重的载荷；体压从峰值中心向外逐层递减，等压强线光顺圆滑，体压变化梯度较缓；腿部有一定支撑但不能过大而影响下肢血液回流等。汽车座椅是乘员与汽车之间接触面积最大的界面，而体压特性又是驾乘过程中乘员对座椅最直观的感受，研究表明座椅的体压特性是与座椅主观舒适性相关最显著的，因此对于汽车座椅体压特性的研究和检验十分重要。
3.传统研究中座椅的体压特性是在样件或实例制造完成后由真人试乘，并利用由排布在柔性垫上的一系列压力传感器组成的体压坐垫实测得到的。然而这种方法在前期需要精准的传感器对标，且体压坐垫会由于受力而变形等原因会对实测结果产生较大影响。最主要的是实测必须基于制作好的样件实例，在研究和设计过程中成本高、效率低，因此现代座椅设计与研究中都是利用cae体压仿真的方法获得座椅的体压特性。cae座椅体压仿真技术是利用计算机cae软件，对座椅和目标乘员进行有限元或生物力学建模，施加载荷与边界条件并针对复杂接触与载荷进行显式动力学分析，从而通过仿真计算获得座椅的体压特性，其本质是大变形非线性显式动力学有限元分析。若在人-椅之间设置合理的相互作用与接触属性，则可利用该技术相对快速、简便、灵活地获得座椅较为可靠的体压特性，将其具体数值与分布输出后则可用于座椅的检验与研究。
4.利用通用有限元软件进行座椅体压仿真后，需要对其进行后处理工作，从而提取座椅体压仿真结果。体压属于接触压强这一场变量，其分布可以通过云图将某一分析步或时刻的运算结果在几何模型上进行展示，对体压数值进行区间划分后利用不同颜色的区块来对体压数值与分布进行直观的视觉展示。某一点处的具体数值，需要选取相应位置的结点后，再输出该节点处的接触压强作为此处的体压数值。由于实际的工作中需要的往往是整个人-椅界面间的体压分布，则需要提前将接触表面上的结点建立点集，获取点集中的各结点编号。后处理过程中依据先前获取的编号输出相应的变形后坐标与结果数值。变形后坐标通过几何变换将体压分布结果平面化，体压数值仿真结果通过编号与其位置一一对应后，则获得了座椅体压仿真的数据结果，方便后续的检验与研究。
5.在对座椅体压仿真进行后处理的过程中，虽然能通过云图直观地获得体压分布特
征，但是实际工作中还需要接触面上各点处的体压数值。而利用通用有限元技术，其体压仿真数值及分布是基于有限个单元表面或结点的，因此其结果数据本质上是一系列单元表面或结点处的接触压强，数据量十分庞大难以直接提取。此外座椅表面在进行了复杂的接触与非线性大变形后结点间距产生很大变化，间距的变化对体压数值的插值有了很大的影响，难以准确的对体压分布进行平面化处理。某些特殊位置如沟槽、孔洞等接触轮廓及变形十分复杂的区域，几乎无法进行平面转换，从而造成体压数据较大的误差甚至错误。对于这些特殊部位的仿真结果提取，仍然要依赖手动对结点的筛选和数据的输出。使得座椅体压仿真结果的提取有了一定的主观因素影响，需要一定的经验和技巧。此外该后处理工作过程较为复杂繁琐，需要较高的时间成本，准确度也很受限，对有后续的座椅体压特性检验、分析与研究工作有一定影响。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种座椅体压仿真结果提取方法，该提取方法便捷、快速、准确的将经过复杂接触与非线性大变形的座椅体压仿真结果进行提取，尤其是复杂变形与特殊轮廓处的体压分布能够平面化转换，并准确的将各个结点处的体压数值进行提取与排布，来获得座椅准确的体压特性。
7.本发明通过如下技术方案实现：
8.一种座椅体压仿真结果提取方法，具体包括如下步骤：
9.步骤一：截取仿真结果云图；
10.步骤二：网格化云图；
11.步骤三：云图颜色编码；
12.步骤四：网格颜色识别；
13.步骤五：映射关系并输出结果。
14.进一步地，步骤一所述的截取仿真结果云图，具体包括如下内容：
15.在有限元后处理模块中打开计算完毕的座椅体压仿真结果云图，分别对坐垫和靠背的体压云图进行截取；
16.坐垫和靠背体压云图的截取方向分别为各自基准平面的法线方向，朝向座椅截取接触表面的体压云图。
17.进一步地，步骤二所述的网格化云图，具体包括如下内容：
18.将步骤一中截取好的坐垫和靠背云图平铺并网格化；用网格将云图分割成若干小正方形区域，网格化的区域覆盖整个云图，且不同部件的云图不能在同一个小正方形区域中。
19.进一步地，步骤三所述的云图颜色编码，具体包括如下内容：
20.提取步骤一中截取好的云图中所包含的颜色，即云图图例中的一系列颜色，并将其和与之相对应的体压数值区间中值一一对应，利用云图颜色与体压数值的映射关系完成编码；云图中不同颜色数量即体压数值范围内所划分区间的个数，反映了云图对仿真结果的分辨力，间接影响了结果提取精度，云图中不同颜色越多则结果提取精度越高，云图中不同颜色数量不小于10。
21.进一步地，步骤四所述的网格颜色识别，具体包括如下内容：
22.将步骤二完成的网格化云图中每一个小正方形中的颜色及其面积进行识别和记录；若一个小正方形中多于一种颜色，则记录其中包含的所有颜色及其各自所占的面积。
23.进一步地，步骤五所述的映射关系并输出结果，具体包括如下内容：
24.将步骤四识别的网格中每一个小正方形颜色与步骤三编码的云图颜色进行比对并完成编码，根据云图颜色与体压数值的映射关系输出每一个小正方形所对应的体压仿真数值结果；若一个小正方形中有多个颜色，则根据工作或研究需要选择不同的加权输出方法；最终提取得到座椅体压仿真结果矩阵，该矩阵的元素与网格所划分的小正方形个数相等且一一对应。
25.进一步地，所述选择不同的加权输出方法具体包括最大/小值法、中点取值法、平均值法及面积法；
26.其中，所述最大/小值法指的是将有多个颜色的小正方形假定为仅有一种颜色，且该颜色所对应的体压数值是这些颜色所对应的体压数值中最大/小的；
27.所述中点取值法指的是将有多个颜色的小正方形假定为仅有一种颜色，且该颜色为小正方形中心处的颜色；
28.所述平均值法指的是将小正方形中包含的多个颜色所对应的体压数值取算术平均，以该算术平均作为整个小正方形所对应的体压数值；
29.所述面积法指的是将小正方形中包含的多个颜色所对应的体压数值以各自颜色的面积作为权数取加权平均，以该加权平均作为整个小正方形所对应的体压数值。
30.与现有技术相比，本发明的优点如下：
31.利用本发明的一种座椅体压仿真结果提取方法，可以通过有限元仿真得到的体压云图直接提取座椅体压仿真结果，能够直接利用成熟的通用有限元软件后处理结果，最大程度地避免了数据的筛选和转换所带来的偏差。此外通过自定义云图中颜色(或灰度)编码及其所对应的体压数值，可以对各种不同类型及体压范围的云图进行结果提取，是一种能够广泛应用的普适方法。基于该方法编写脚本或程序，无需繁琐的结点选取和前处理工作，可以便捷、快速、准确的将座椅体压仿真结果进行提取。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
33.图1为本发明的一种座椅体压仿真结果提取方法的流程示意图；
34.图2为仿真结果云图截取方向示意图；
35.图3为云图的网格化示意图；
36.图中：h点1、坐垫基准平面2、靠背基准平面3、坐垫4、靠背5、头枕6、坐垫云图7、靠背云图8。
具体实施方式
37.为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
40.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
41.实施例1
42.通用有限元软件后处理过程中的接触压强云图就是通过将计算后的各结点仿真结果进行合理插值并可视化得到的，本就包含了准确的体压特性运算结果信息。若将其云图准确地进行平面化识别，并将其上的颜色信息转换为体压数值信息，将其上的区域位置信息转换为体压分布信息，便可以通过云图提取座椅体压仿真结果数据。平面化的云图的获取方向为坐垫或靠背基准平面的法向方向，朝向座椅截取接触表面的体压云图；将云图中的颜色(或灰度)进行编码，并与后处理设置中与之相对应的接触压强区间中值相映射，完成颜色信息向体压数值信息的转化；将云图划分为一系列尺寸足够小的网格，选取每个小网格内的颜色(或灰度)并与先前编码好的颜色(或灰度)进行比对，得到该网格所对应的体压数值，结合作为位置信息的网格坐标，完成区域位置信息向体压分布信息的转化；最后即可得到座椅接触面在基准平面内网格化后所有网格对应的体压数值，实现座椅体压仿真结果的提取。
43.如图1所示，为本实施例的一种座椅体压仿真结果提取方法的流程示意图，所述提取方法具体包括如下步骤：
44.步骤一：截取仿真结果云图，具体如下：
45.在有限元后处理模块中打开计算完毕的座椅体压仿真结果云图，分别对坐垫和靠背的体压云图进行截取。截取云图的方向如附图2所示，坐垫和靠背体压云图的截取方向分别为各自基准平面的法线方向，朝向座椅截取接触表面的体压云图。截取时要确保两个部件各自云图的独立和完整。
46.步骤二：网格化云图，具体如下：
47.如附图3所示，将步骤一中截取好的坐垫和靠背云图平铺并网格化；用网格将云图分割成若干小正方形区域，网格化的区域覆盖整个云图，且不同部件的云图不能在同一个
小正方形区域中。根据所需的结果提取精度设置小正方形边长或网格数量，小正方形边长越小、网格数量越大则结果提取精度越高，推荐小正方形边长小于30mm。
48.步骤三：云图颜色(灰度)编码，具体如下：
49.提取步骤一中截取好的云图中所包含的颜色(灰度)，即云图图例中的一系列颜色(灰度)，并将其和与之相对应的体压数值区间中值一一对应，利用云图颜色与体压数值的映射关系完成编码。云图中不同颜色(灰度)数量即体压数值范围内所划分区间的个数，反映了云图对仿真结果的分辨力，间接影响了结果提取精度，云图中不同颜色(灰度)越多则结果提取精度越高，推荐云图中不同颜色(灰度)数量不小于10。
50.步骤四：网格颜色(灰度)识别，具体如下：
51.将步骤二完成的网格化云图中每一个小正方形中的颜色(灰度)及其面积进行识别和记录；若一个小正方形中多于一种颜色(灰度)，则记录其中包含的所有颜色(灰度)及其各自所占的面积。
52.步骤五：映射关系并输出结果，具体如下：
53.将步骤四识别的网格中每一个小正方形颜色(灰度)与步骤三编码的云图颜色(灰度)进行比对并完成编码，根据云图颜色与体压数值的映射关系输出每一个小正方形所对应的体压仿真数值结果。若一个小正方形中有多个颜色(灰度)，则根据工作或研究需要选择不同的加权输出方法。加权输出方法包括最大(小)值法、中点取值法、平均值法、面积法等。最大(小)值法指的是将有多个颜色(灰度)的小正方形假定为仅有一种颜色(灰度)，且该颜色(灰度)所对应的体压数值是这些颜色(灰度)所对应的体压数值中最大(小)的；中点取值法指的是将有多个颜色(灰度)的小正方形假定为仅有一种颜色(灰度)，且该颜色(灰度)为小正方形中心处的颜色(灰度)；平均值法指的是将小正方形中包含的多个颜色(灰度)所对应的体压数值取算术平均，以该算术平均作为整个小正方形所对应的体压数值；面积法指的是将小正方形中包含的多个颜色(灰度)所对应的体压数值以各自颜色(灰度)的面积作为权数取加权平均，以该加权平均作为整个小正方形所对应的体压数值。最终能够提取得到座椅体压仿真结果矩阵，该矩阵的元素与网格所划分的小正方形个数相等且一一对应。
54.实施例2
55.已利用通用有限元cae软件完成了某款座椅的体压仿真，现需要提取人椅接触面上的体压仿真结果数值。
56.步骤一：截取仿真结果云图，具体如下：
57.在有限元后处理模块中打开计算完毕的座椅体压仿真结果云图，分别对坐垫和靠背的体压云图进行截取。截取云图的方向如附图2所示，坐垫和靠背体压云图的截取方向分别为各自基准平面的法线方向，朝向座椅截取接触表面的体压云图。截取时确保两个部件各自云图的独立和完整。云图中不同颜色数量反映了云图对仿真结果的分辨力，间接影响了结果提取精度，根据所需稍精细的结果提取精度，云图中不同颜色数量选取18。
58.步骤二：网格化云图，具体如下：
59.如附图3所示，将步骤一中截取好的坐垫和靠背云图平铺并网格化；用网格将云图分割成若干小正方形区域，网格化的区域覆盖整个云图，且不同部件的云图不能在同一个小正方形区域中。所需的结果提取精度稍精细，选取小正方形边长为10mm。
60.步骤三：云图颜色编码，具体如下：
61.提取步骤一中截取好的云图图例中的18个颜色，并将其和与之相对应的体压数值区间中值一一对应，利用云图颜色与体压数值的映射关系完成编码。
62.步骤四：网格颜色识别，具体如下：
63.将步骤二完成的网格化云图中每一个小正方形中的颜色及其面积进行识别和记录；存在一个小正方形中多于一种颜色的情况，则记录其中包含的所有颜色及其各自所占的面积。
64.步骤五：映射关系并输出结果，具体如下：
65.将步骤四识别的网格中每一个小正方形颜色与步骤三编码的云图颜色进行比对并完成编码，根据云图颜色与体压数值的映射关系输出每一个小正方形所对应的体压仿真数值结果。对于一个小正方形中有多个颜色的情况，根据后续的研究需要选择面积法作为加权输出方法。将小正方形中包含的多个颜色所对应的体压数值以各自颜色的面积作为权数取加权平均，并以该加权平均作为整个小正方形所对应的体压数值。最终将所有小正方形所对应的体压数值输出，即可提取得到该座椅体压仿真结果矩阵。
66.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
67.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
68.此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。