LS-DYNA 模擬案例研究

座椅舒適度分析

本篇案例研究說明如何用 LS-DYNA 中的 THUMS 人體模型，來進行座椅舒適度分析。透過簡化模型、模擬人體坐姿下的壓力分布，比較不同坐墊設計的效果。結果發現，顯式模擬計算較快，適合設計初期評估；隱式模擬則適合更精細的分析。這種方法能有效應用在座椅或坐墊的人體工學優化上。

座椅舒適度分析 Seat comfort analyses

本案例價值

量化舒適度

利用人體模型模擬坐姿壓力分布，科學評估座椅設計是否舒適。

優化坐墊設計

比較有無坐墊的壓力差異，幫助改善材料與形狀設計，減少壓力集中。

提升模擬效率

搭配顯式與隱式分析，兼顧計算速度與準確度，加快產品開發流程。

本案例使用人體模型來分析座椅舒適度

我們一輩子有很大一部分時間都在坐著——不管是椅子、板凳、沙發還是車上的座椅。而座椅的舒適度，不管是在車裡的乘坐體驗、辦公椅的人體工學，還是家裡沙發的放鬆程度，都是非常重要的。

這個案例要介紹的是，我們怎麼利用 LS-DYNA 裡的功能，來做一個基礎的有限元素分析（FEA），看看座椅設計在舒適度上的表現。

LS-DYNA 裡很早就有模擬「假人」（ATD，撞擊測試用人偶）的模型，這些模型的設計目的是讓它們在模擬中能產生和真實測試人偶一樣的輸出訊號。不過，畢竟是假人模型，要拿來分析其他人體受力的情境還是有些限制。

近年來，則有一種更進階的「人體模型」（HBM）被發展出來，主要是用來模擬車禍中人體可能受的傷害。這些模型是根據真實人體的幾何掃描與材料性質建立的，所以除了撞擊分析之外，其實也有機會拿來評估其他人體受力情境——例如坐在椅子上時的壓力分布與舒適度。

THUMS 人體模型介紹

THUMS（Total Human Model for Safety）是由 Toyota 開發的一套人體有限元素模型（FE 模型），可以模擬像車禍這類情境中，人體可能出現的傷害，例如骨折、腦部或內臟損傷等等。

和傳統的撞擊測試假人（ATDs）不同，THUMS 的材料特性和幾何設計，是根據真實人體的骨骼、肌肉和組織來建構的，因此模擬結果更貼近實際人體的反應。

從 2021 年起，在某些條件下，THUMS 模型已經可以免費使用，不需要額外授權費。有興趣的話可以與艾索科技聯絡了解詳情。

THUMS 提供多種身形、年齡與性別的版本。這次案例使用的是 THUMS AM50（版本 6.1），代表的是一位標準體型的成年男性。

研究方法說明

這個研究建立了兩種椅凳模型：一種有坐墊、一種沒有。坐墊的材料特性是參考一般汽車座椅常見的數值設定。

以 THUMS AM50（v6.1）人體模型為基礎，為了加快分析速度，我們對模型做了一些簡化：像是移除主動肌肉系統，並把上半身剛體化（只保留質量和慣性）。我們關注的部位是大腿和臀部，所以這些區域還是保留可變形的狀態。

模擬是透過 LS-DYNA 的顯式與隱式求解器來執行。針對隱式分析，我們對 *MAT_FABRIC 材料模型做了微調，採用了 FORM = -14 並估算了塗層參數。此外，隱式分析的接觸定義也改為 Mortar 接觸形式，以提升穩定性與準確度。

重力載重與混合邊界條件的設定方式

我們把人體模型放到凳子上，並施加重力，目標是讓模型達到接近平衡的狀態。一開始，上半身（已剛體化）是完全固定的，模擬從椅墊往上移動開始。當人體模型和椅墊的接觸力達到 700 N 時，感測器會啟動，停止椅墊的移動，同時釋放上半身的平移限制（X、Y、Z 方向），但旋轉還是固定的。如果是用顯式分析，這時還會啟用全域質量阻尼來幫助穩定。整個過程中重力都持續作用，直到系統達到平衡。

隱式分析則是用多階段方式進行：