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单自由度人体—座椅模型舒适性的仿真研
究
黄硕*
作者简介：黄硕（1989-），男，工程师，主要从事内燃机设计研发与整车性能开发工作
（东风汽车有限公司商用车发动机厂，湖北十堰 442001） 5
摘要：汽车座椅是汽车中将乘员与车身联系在一起的重要部件，它直接关系到乘员乘坐舒适
性和安全性。为了提高汽车座椅的动态舒适性，对汽车座椅进行动力学仿真分析十分必要。
本文以轿车座椅为研究对象，用多体动力学软件ADAMS仿真振动过程。本文根据标准 QC/T
55—93 汽车座椅动态舒适性试验方法，利用 ADAMS 对座椅的简化模型和座椅单自由度模10
型进行了不同激励下的仿真分析，得到系统时域和频域的响应结果。采用“乘坐舒适性指数
R”经验评价方法对座椅进行评价。改变单自由度座椅系统中弹簧的刚度和阻尼，对比结果，
得到了系统参数对座椅传递特性和动态舒适性的影响关系。
关键词：汽车座椅；动态舒适性；多体动力学；仿真分析；传递率；
中图分类号： 15
Simulation study on single degree of freedom body-seat
model
HUANG Shuo
(Comuercial Vehicle Engine Plant, Dongfeng Motor Co., Ltd., Shiyan, Hubei 442001) 20
Abstract: The car seat is an important component which linked with the Passenger and the car body; it
is directly related to passenger’s comfort and safety. In order to improve the dynamic comfort of car
seats, dynamics simulation analysis for the car seat is essential. In this paper, the research object is
sedan seat, use multi-body dynamics simulation software ADAMS Simulate the vibration process.
Based on the standard QC / T 55-93 car seat dynamic comfort test methods. Using ADAMS software to 25
analyze a simplified model of the seat and the seat single degree of freedom model simulation under
different excitation, get the system time domain and frequency domain response of the results. Use the
"comfort index R" experience evaluation methods to evaluate the seat. Change the spring stiffness and
damping of SDOF seat system, comparing the results, Get the relationship of system parameters and
the seat transfer characteristics and seat dynamic comfort. 30
Key words: car seat; dynamic comfort; multi-body dynamics; simulation; transmissibility;
0 引言
在本章，要进行座椅动态舒适性的仿真研究，要将座椅的实体模型导入 ADAMS 软件
中建立虚拟样机，根据座椅动态舒适性实验标准进行仿真。主要分析座椅的传递特性[1]，座
椅的力学试验结果[2]。分析得到的仿真曲线，计算座椅舒适性的评价指标。最后进行简单理35
论计算，对比结果。
1 座椅的 ADAMS分析模型的建立
座椅的几何模型的源文件为 CATIA 文件，来源为李尔汽车零件（武汉）有限公司，座
椅的几何模型要经过查看分析各部分的连接情况[3]，期间分析的座椅骨架的结构及连接方
法、各部分的功用及大致的材料情况[4]，查看了座椅坐垫和靠背的模型构造[5]，然后从将模40
型从 CATIA 文件导出 STP 文件，在 Pro/E 软件中从新定义座椅的坐标点，以便于在 ADAMS
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软件中方便的将座椅定位，将座椅的几何模型再从 Pro/E 中导出渲染文件（.Slp 文件）。在
ADAMS中对座椅的模型进行旋转和平移，将其位置摆放正确即在 ADAMS中得到了座椅模
型。
根据中华人民共和国汽车行业标准 QC/T 55—93[6]，为了模拟试验过程，将座椅震动仿45
真简化为单自由度系统[7]，将坐垫的刚度和阻尼进行转化，转化为竖直螺旋弹簧连接加载板
进行座椅的传递特性仿真分析[8]。根据标准，加载板的质量为 51Kg[9]。
动力学模型[10]建立前，需要确定相关的参数，对于普通座椅：参数为：座垫的刚度和
阻尼系数、座椅零部件质量、质心位置及转动惯量等。由于此模型为单自由度，因此只需输
入座椅密度值，之心位置和转动惯量系统自动生成，输入参数事不考虑。此座椅力学特性参50
数即指弹性元件的刚度和阻尼特性。经试验得到座椅的刚度为：
)/( mmsN 。
其中，模型所需的尺寸（几何定位）参数，由座椅三维实体模型的尺寸确定。
2 座椅分析模型的仿真
根据试验要求，仿真过程所用的驾驶室地板的振动条件是 0—20Hz的正弦曲线扫描[11]，55
采用ADAMS软件函数库中的 SWEEP函数实现，函数格式为：SWEEP（Independent Variable，
Amplitude，Start Value，Start Frequency，End Value，End Frequency，Delta X）
式中参数：Independent Variable——自变量；
Amplitude——振幅；
Start Value——自变量初始值； 60
Start Frequency——初始频率；
End Value——自变量结束值；
End Frequency——终止频率；
Delta X——自变量的步长。
根据仿真要求[12]，所输入的函数为：SWEEP(time,,,,,,-002)。这就65
是仿真的激励函数，与仿真后得到的输出信号均为时域信号，对时域信号进行 FFT 变换后
即得到频域信号[13]，
随激励的频率的逐渐增大，加载板的纵向位移先增大，然后再减小，在激励的高频区域，
振幅很小，对激励的衰减很大。从加载板响应位移曲线的傅立叶变换曲线可以看出，座椅的
固有频率为：。 70
3 座椅系统动力学仿真结果分析
将上一节中仿真得到的加载板的响应位移曲线的傅立叶变换曲线和激励函数位移曲线的傅
里叶变换曲线相除，得到系统的传递特性曲线[14]。
从系统的传递特性曲线中得到的数据：共振频率 f0附近传递率、最大传递率的 倍
处对应两点频率以及 10Hz处系统传递率见表 1。 75
表 1 传递特性曲线上所需数据
Transfer characteristic curve on the required data
共振频率 f0处 2/A 处 10Hz处
频率（Hz）
传递率 X/Y
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4 研究座椅弹簧刚度和阻尼对系统传递特性的影响
加载板的质量不变，改变弹簧的刚度和阻尼，进行多组数据的计算，研究弹簧参数对座
椅传递特性的影响。经过计算得出弹簧刚度和阻尼对座椅固有频率 f0、最大传递率 A、10Hz80
传递率 B和舒适性指数 R值的影响趋势，见表 2和表 3。
表 2 不同弹簧刚度下的固有频率、最大传递率、10Hz传递率和 R 值
Different spring stiffness, natural frequency and the maximum transmission rate, 10Hz transmission rate and
R value
K(n/mm) C )/( mmsN f0(Hz) A B R
5
8
10
15
20
25
85
表 3 不同阻尼值下的固有频率、最大传递率、10Hz传递率和 R 值
With the damping value under natural frequency, the maximum transmission rate, 10Hz transmission rate
and R value
K(n/mm) C )/( mmsN f0(Hz) A B R
从表格中的数据可以看出，弹簧刚度对座椅的固有频率 f0、最大传递率 A、10Hz 传递
率 B和舒适性指数 R值[15]均有影响，f0、A、B均随弹簧刚度的增大而增大，10Hz传递率增90
大的幅度相对较小，舒适性指数 R值随弹簧刚度的增大而减小，变动较为显著，也可见 f0、
A、B均增大，R值必定减小。阻尼值对最大传递率 A、10Hz传递率 B和舒适性指数 R值有
影响，固有频率随阻尼有所波动，因为在阻尼不大的情况下，它对系统固有频率的影响很小，
基本可以忽略，舒适性 R 值随阻尼值的增大而增大，主要原因为最大传递率 A 随阻尼的增
大而减小并且很显著[16]，阻尼越大对运动的衰减程度越大。 95
5 对座椅系统的传递特性进行理论计算
系统参数：刚度为：
根据弹簧参数计算系统的阻尼比为：
18670512
300
2
mK
c
100
激励频率等于系统固有频率：
srad
m
K
/
51
18670
0
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)(
2
0
0 Hz
w
f
因此，频率比 r=1，由公式得振幅比 p：
21
21
21
222
2
21
222
2
rr
r
Y
X
105
所以共振时上质量块的振幅为：
mmX
表 4 系统理论结果与仿真结果对比
-1 Comparison of theoretical results and simulation results of the system 110
理论结果 仿真结果
固有频率 f0(Hz)
最大传递率 A
理论结果与仿真结果接近，但有误差，这是由于仿真的信号处理和采样误差导致的。
6 有限元法在汽车座椅舒适性研究中的应用
驾驶姿势仿真实验
驾驶姿势的预测对于驾驶室人机工程学布置和汽车座椅舒适性的设计具有重要的意义。
（1）驾驶姿势的描述 115
为了描述驾驶姿势，需要建立人体骨骼系统的运动学模型。严格讲，应该按照人体真实
的构造建立，这种人体结构的描述已在很多数字人体模型上采用；但是，对于驾驶姿势的预
测更关键的是预测人体主要特征点（H点、眼点等）的位置，因此，可以将人体的骨骼拓扑
结构简化。在人机工程学和生物力学研究中，人体通常表示成多个刚性体段组成的开链式结
构。刚性体段的数目取决于运动学模型的应用条件。人体骨骼系统和驾驶姿势描述所采用的120
运动学模型如下图 2所示。该运动学模型从侧面看 Reed等人的模型基本相同，但为了描述
肢体的空间姿势，还引入了三个外撇角度，来反映上肢和下肢的外撇程度。
图 1 人体各关节角度
The human body joints angle 125
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图 2 人体肢体外撇角度
The human body outward angle
（2）驾驶姿势的影响因素
研究发现，在驾驶员所处的驾驶环境中，对其驾驶姿势影响较大的是座椅、转向 130
盘和加速踏板的布置参数等。
（3）仿真实验方案设计
本文根据国家标准 GB10000-88《中国成年人人体尺寸》，建立了 18-60岁男子基本尺寸
数据库，并将其导入 CATIA 中；然后，在 CATIA 中建立了中国男子各百分位（等百分位）
人体模型。 135
根据实验方案，建立和调节乘用车的驾驶室环境布置参数；同时建立中国男子各百分位
人体模型；进而建立姿势预测实例，选择根据实验方案设置好的驾驶室布置环境和所建立的
人体模型，调用 CPM 实现该人体模型的定位，将当前姿势状态下关节点的位置记录下来。
如此反复，对所有实验方案进行实验，收集相应的人体模型各关节点数据。
（4）全身姿势预测数据预处理 140
根据实验得到人体模型关节点数据计算各个表征人体姿势的关节角度 α1～α10，并计算
出 H 点水平位置 XH，以及眼点水平和垂直位置 Ex、Ez。
（5）仿真中存在的不足及预测
通过仿真实验，以中国男子为研究对象，通过建立驾驶室布置仿真环境，并建立姿势预
测实例，获得了各种驾驶室布置参数条件下的人体模型肢体关节点数据；通过对数据进行统145
计分析处理，建立了乘用车的驾驶姿势预测模型。由于人群中个体在性别、人体尺寸、身材
特点、习惯等方面存在差异，上述姿势预测模型仅能反映驾驶员的平均姿势。未来的姿势预
测还要考虑更多的因素，如：性别、胖瘦、身材比例、习惯等，以便使所预测的驾驶姿势与
真人更加接近，为在此基础上进行准确的模拟和工效分析提供保证。
压力分布数值有限元仿真试验 150
目前压力分布数值模拟常用的是人体有限元模型，利用人体有限元模型能够得到分析问
题的精确解。理论上模型越复杂，模拟的过程和结果与真实情况越接近，因此压力分布的仿
真研究难点和重点在于人体模型的建立。
在人体有限元建模领域，适用于舒适性研究的人体建模方法较多。典型的有Moes(2002)、
Verver(2004)和 Mergl(2006)建立的局部人体有限元模型以及 Wölfel(2003)和 Choi(2006)团队155
分别建立的全身人体有限元模型：
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图 3 局部人体有限元模型
Local human finite element model
建立人体有限元仿真模型和汽车座椅有限元模型后进行仿真试验，最终获得座椅的压力160
及应力分布云图，然后与本文第 3章中提到的人体压力分布试验所得到的分布云图进行对比
分析。
座椅用空气弹簧非线性弹性特性有限元仿真分析
空气弹簧由上板，橡胶气囊和底座三部分组成。上板与底座由硬塑料制成，上板与气囊
由金属环连接密封。该空气弹簧的充气压力变化范围是 ～。该空气弹簧的标165
准（设计）高度是 ，以此高度为基准，静态模拟中，其伸张和压缩的行程分别为
10mm 和 20mm；动态模拟中其伸张和压缩的行程为±5mm。空气弹簧弹性特性分析中不考
虑控制阀的控制作用，假定空气弹簧的气体质量一定。
关于空气弹簧静特性有限元模型的建立过程在此不再赘述。
（1）非线性分析 170
空气弹簧有限元模型中存在很多非线性问题，ABAQUS 使用牛顿—拉弗森方法来求解
非线性问题。在非线性分析中的求解不能像线性问题那样，通过求解一组方程来进行计算。
此时可通过逐步施加给定的载荷，以增量形式趋于最终解而得到结果。因此 ABAQUS将空
气弹簧模拟运动过程分为许多载荷增量步，并在每个载荷增量步结束时确定近似的平衡构
形。ABAQUS 通常要经过几次迭代才能找到给定载荷增量的可接受解。所有增量响应的和175
就是非线性分析的近似解。值得注意的是，线性计算只能得到当前位移附近弹性特性，与非
线性计算位移较小时的结果接近。由于实际计算中，垂向位移很大，故采用的计算为非线性
计算。
（2）空气弹簧静特性有限元计算
空气弹簧静特性有限元模型建立后，应用 ABAQUS/Standard 的求解模块，对空气弹簧180
在垂向位移作用下的反作用力、空气弹簧腔内的容积和压力进行求解。在计算过程中，定义
空气弹簧压缩的位移行程为正，拉伸的位移行程为负。
通过计算分析获得了空气弹簧底座参考点处位移和反作用力计算数值，可得到力和位移
曲线。最终将仿真结果与试验结果进行对比分析。
座椅静强度的有限元分析 185
座椅静强度特性直接影响座椅的安全性和乘坐舒适性，是座椅设计中的重要问题。在静
态载荷作用下，座椅软垫对强度特性的影响很小，因此座椅的静强度特性主要是针对座椅骨
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架而言的。
在座椅骨架静强度仿真分析模型中，座椅骨架的静强度加载方式在国家标准
GB15083-1994《汽车座椅系统强度要求及试验方法》中有明确规定，按照法规规定分别通190
过质心对座椅进行加载。通过座椅质心水平向前对座椅施加相当于座椅总成 20 倍的力，通
过仪器测得该座椅总成质量和模拟计算时所施加的载荷。将座椅骨架简化为梁单元和壳单元
相互连接的有限元模型，运用有限元软件 Hyper Mesh 和 ABAQUS 对座椅骨架的静强度进
行有限元分析。
充气座垫的仿真研究 195
在对座椅舒适性的研究过程中如何降低垂直方向上得振动传递是重点和难点，我们已经
知道充气座垫可以有效减少垂直方向的振动传递，为了更好的对充气座垫舒适性进行研究，
对压力改变率的测量是非常重要的，我们可以通过座椅的物理表现来研究座椅的舒适性。应
用软件建立的模型，并进行有限元仿真分析，找出充气座垫的就座面积、单元高度、出口面
积、材料弹性和驾驶员体重与压力改变率均方根的值的关系，以及在不同的体重情况下，这200
些参数与压力改变率均方根的值的关系，通过分析这些变化关系，根据压力改变率均方根的
值降低舒适性提高的原理，找出充气座垫的各个参数对乘坐舒适性的影响。
应用有限元仿真分析可以得到充气座垫的各个参数与压力改变率均方根的值的变化曲
线[17]，压力改变率均方根的值越小，充气座垫的舒适性越好。当不考虑驾驶员体重时,得到
如下的分析结果: 205
1)增大就坐面积可以提高充气坐垫的舒适型。
2)出于最优化的目的，最好是通过保持就坐的重量分配的单元数不变，通过增大就坐区
域的每个单元的半径来增大就坐面积。
3)增大单元高度可以改善气垫的舒适性，但是可能危及坐在气垫上的人的骨盆的稳定
性，所以不能为了提高充气座垫的舒适性而盲目的增大单元的高度。 210
4)增大出口面积降低充气座垫的舒适性。
5)为了不降低充气座垫的隔振能力增大出口面积是必要的，增大出口面积的最好方法是
保持出口直径不变增大出口数。
6)材料的弹性对充气座垫的舒适性不会产生重要的影响。
当驾驶员的体重不同时,研究不同的体重对充气座垫参数与压力改变率均方根的值的关215
系的影响，所的结论如下:
l)不同的体重，不会对单元数和单元半径与压力改变率均方根的值的关系趋势有明显的
影响，但是较轻的体重，压力改变率均方根的值较低，乘坐的舒适性较好。
2)在不同的体重下，随着单元高度的增大,压力改变率均方根的值越来越趋于相同，最
后当单元高度达到某一个值时，不同体重下的压力改变率均方根的值是相同的。也就是一说220
当单元高度到达某一值时，体重不会影响充气座垫的舒适性。
3)不同的体重，不会对出口数和出口直径与压力改变率均方根的值的关系趋势有明显的
影响，但是较轻的体重，压力改变率均方根的值较低，乘坐的舒适性较好。
4)随着体重的增大,由材料弹性模量增大引起的压力改变率均方根的值的增大率增大，
即体重越大压力改变率均方根的值的增大率越大。当驾驶员体重增大时，会使材料的延展性225
增大，虽然材料延展性的增大可以使充气坐垫的舒适性增大，但是不足以弥补因体重引起的
充气座垫的舒适性的降低。
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人-车-路一体模型的平顺性仿真研究
在汽车行驶时，由于干扰力的作用而产生振动。振动由路面传递到轮胎、悬架、座椅再
到人体。汽车的行驶平顺性，是指汽车能吸收行驶时所产生的各种冲击和振动的能力，保持230
汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内。由于平顺性
主要根据驾驶员的舒适程度来评价，所以有时又称为乘坐舒适性。
首先建立人体的有限元模型，车辆的有限元模型以及应用 ADAMS 根据随机不平路面
原理图和谐波叠加法不平路面拟合理论生成随机路面。最后用 LIFEMOD 软件将人体和车辆
模型正确合并起来，就构成了“人-车-路”一体模型。 235
（1）以座椅作为测量点的平顺性仿真研究
在本节中，主要以汽车座椅作为主要研究对象，测量点为驾驶员座椅位置。
1）在不同车速输入下的汽车平顺性仿真研。
根据 GB/T4970-1996《汽车行驶平顺性随机输入行驶试验方法》的要求，对整车虚拟样
机模型进行平顺性随机输入仿真分析。设定车辆在 B 级路面，分别以 40km/h、50km/h、240
60km/h、70km/h 车速行驶，测量点为驾驶员座椅位置，测试目标是通过悬架、车身、座椅
传递到人体的振动加速度，仿真时间 10s。
2）在不同路面输入下的汽车平顺性仿真研究
采用随机路面生成程序生成不同等级的随机路面文件，分别以这些路面作为输入，研究
不同等级路面下对汽车行驶过程中平顺性的变化情况。仿真过程中设定：车辆以 40km/h的245
速度分别行驶在 A、B、C 级路面上，测量点为汽车驾驶员的座椅位置，测试目标是路面通
过悬架、车身、座椅传递到人体的振动加速度，仿真时间为 10s。
分别为得到整车在 A、B、C 三种等级路面上、以速度 40km/h 行驶时座椅处的 Y 轴向
的振动加速度及其相应的加速度功率谱。
（2）以人体为测量点的座椅舒适性研究 250
基于 LIFEMOD 人体模块的使用[18]，本节讲以人体作为研究 、以人体不同部位作为测
量点，来研究汽车行驶过程中人体的振动响应情况。
根据《汽车行驶平顺性随机输入行驶试验方法》的要求，对整车虚拟样机模型进行平顺
性随机输入仿真分析。设定车辆在 B 级路面，分别以 40km/h 车速行驶，测量点为驾驶员身
体的各部分，测试目标是通过悬架、车身、座椅传递到人体的振动加速度，仿真时间 10s。 255
通过 ADAMS对人-车-路一体模型进行平顺性仿真[19]：分别对特定速度、不同路面和特
定路面不同速度的人-车-路一体模型进行仿真，得到仿真数据。对数据进行分析，初步研究
路面不平度、行驶速度对汽车仿真过程中平顺性的影响，得到座椅的舒适性评价。然后以人
体各部位作为测量点，研究人体各部位的振动响应情况。研究人体感受到的、由座椅传递来
的不舒适度。 260
7 结论
以上的研究按照中华人民共和国汽车行业标准 QC/T 55—93 汽车座椅动态舒适性试验
方法，进行了单自由度人体——座椅模型的仿真研究，先后由简单到复杂，进行了简单模型
的振动分析分析和座椅虚拟样机的传递特性分析，并依据“乘坐舒适性指数 R”经验评价方法
对仿真座椅的 R 值进行了计算，R=说明本座椅乘坐舒适性指数较好，但不足为最大传265
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递率 A 稍偏大，说明本座椅有进一步提高乘坐舒适性的空间。改变弹簧参数，研究其对座
椅传递特性的影响。最后进行了理论计算，并将仿真结果与理论计算结果进行了对比。
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