2 人—椅模型耦合
2.1 脊椎曲线重构
考虑到办公椅应使工作者坐骨结节处的体压分布足够平缓,将座面设计成下凹的形状,尽量贴合臀部曲线,以提高舒适度。在深度休息时,为保证人的脊椎保持正常的生理曲线,椅背的形状应该尽量与脊椎曲线相匹配。
将人体脊椎图像导入Matlab进行灰度处理后,利用Canny算子进行边缘检测,得到脊椎的轮廓,如图3所示。通过鼠标取点的方式,提取脊椎轮廓上的特征点。最后,在Inventor中根据三次样条插值原理,得到人体脊椎曲线,如图4所示。
图3 脊椎轮廓提取
图4 脊椎曲线重构
2.2 耦合分析
将所建立的工效虚拟人与办公椅的三维模型相匹配,进行应力分析。将办公椅的五个脚轮设置为水平面,作固定约束,再加以重力场,进行网格划分。座面和椅背材料选择发泡棉。耦合结果如图5所示,其最小安全系数为1.13,满足安全系数不得小于1的设计要求。
图5 耦合分析结果
在工作坐姿与深度休息坐姿两种情况下,以办公椅气弹簧轴与脚轮平面的交点为坐标原点,得到模型的整体重心结果,如表2所示。可见,在两种情况下,人—椅整体重心均位于脚轮中心,表明办公椅具有良好的稳定性。
表2 整体重心分析
3 总结与展望
本文构建了工效虚拟人模型与办公椅三维模型,并进行了耦合。耦合结果分析表明,性能优良的办公椅设计得以实现。在椅背的曲线造型上,提出了一种通过Matlab图像提取脊椎轮廓,从而重构脊椎曲线的方法,使椅背形状更加符合人体脊椎曲线,保证人在工作和休息时能保持脊椎的正常生理弯曲。
本文通过建立人—椅耦合模型,还对人体受力的舒适度进行了定量分析,但这仅考虑了静态时人的受力情况,并且无法分析坐姿时的脊椎受力,未能较好地反映真实情况,有待进一步研究。