本发明涉及应力预测技术领域，具体涉及一种预测人体与床垫间的接触应力的方法。
背景技术：
压力分布测量系统(Tactilus)在床垫舒适度测量中的应用。通过对压力分布的测量结果的评估，系统可以帮助设计者或制造商优化材料的选择，
该压力分布测量系统使用感压纸或独特的压电式压力传感器，能够对任何接触面之间的压力分布及压力大小进行静态和动态测量，并以直观、形象的二维、三维彩色图形显示压力分布的轮廓和数值，进而做出评估，压力分布的测量成为解决这些问题的首要条件，而解决压力测量问题的办法就是进行使用系统反复的实验，这样不但效率低，而且成本也比较高。
综上所述，如何提供一种预测人体与床垫间的接触应力的方法，提高测量精度要求，是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种预测人体与床垫间的接触应力的方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种预测人体与床垫间的接触应力的方法，所述的方法包括下列步骤：
S1、对床垫的材料进行压缩试验，得到床垫材料的力学参数；
S2、使用感应摄像头Kinect扫描得到人体表面的点云；
S3、扫描得到的人体模型用Geomagic Studio进行逆向处理，获得受试者的人体模型；
S4、将获得的人体模型导入网格生成软件ANSYS Workbench，在Engineering Data中输入床垫、人体皮肤和人体肌肉的材料参数，对人体与床垫间的接触应力进行预测。
进一步地，所述的步骤S1中对山棕床垫的材料进行压缩试验，得到山棕床垫材料的力学参数，其中，山棕试块的大小设定为1900m×810mm×60mm，山棕床垫的密度为117.9kg/m3，弹性模量为46.7kPa。
进一步地，所述的步骤S2中，分别将感应摄像头Kinect置于三个以上的立柱上，每个立柱上都有分别放置于不同高度的三个感应摄像头Kinect，只穿内衣裤的测试者直立于扫描范围内，并保持双臂微张，姿势保持不动大于7s。
进一步地，所述的步骤S4中，人体肌肉的材料参数和单元特性定义如下：
人体肌肉采用Mooney-Rivlin超弹性模型，使用Patch Conforming Method将人体肌肉划分为四节点四面体实体单元，
Mooney-Rivlin模型的应变能函数表述为：
W＝A1(J1-3)+A2(J2-3)+A3(J3-2-1)+A4(J3-1)2 (1)
式中，J1,J2,J3是Cauchy-Green应变张量不变量；
Cauchy-Green应变张量不变量表述为：
C＝FT·F (2)
式中，F表示变形张量
J1＝trace(C) (3)
J3＝det(C) (5)
应变能函数对Cauchy-Green应变张量不变量的微分即得到第二Piola-Kirchhoff应力张量，表述如下：
材料参数A1,A2,A3,A4如下：
A1＝1.65kPa
A2＝3.35kPa
A3＝(1/2)A1+A2
A4＝{A1(5v-2)+A2(11v-5)}/2(1-2v)
v＝0.49。
式中，v表示泊松比。
进一步地，所述的步骤S4中，人体皮肤的材料参数和单元特性定义如下：
人体皮肤采用线弹性各向同性模型，采用三节点三角形壳单元，上述单元是一种具有弯曲能力的三角形单元，皮肤厚度取2mm，杨氏模量取150kPa，泊松比为0.46。
进一步地，所述的步骤S4中，床垫的材料参数的单元特性和单元特性定义如下：
根据实验获得的床垫材料实际的材料参数进行建模，使用自动划分单元的方法将其划分为六面体单元。
进一步地，所述的步骤S4中，对人体与床垫在ANSYS Workbench中的求解过程如下：
S401、将整个人体皮肤表面和人体肌肉组织表面设置Bonded接触，Contact面设置为肌肉组织表面，Target面设置为整个皮肤表面，接触算法使用Augmented Largrange，对皮肤和床垫的接触方法设置Frictional，摩擦系数设置为0.4，Contact面为床垫的上表面，Target面为背部皮肤表面，使用Each iteration进行迭代运算，使用Add Offset.No Ramping，使接触在第一个子步骤完成加载；
S402、加载方式采用床垫底部不动，即将床垫底面用固定约束，在人体模型上施加重力，打开大变形Large Deflection开关，载荷步通过子步数来定义，初始步长定义为30，最小步长定义为5，最大步长定义为100，最后进行求解。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1)、本预测方法得到的人体与床垫间的接触应力和压力分布测量系统Tactilus相比，平均应力、最大应力值非常接近且皮尔逊相关系数为强相关，因此可以有效地节约成本，促进私人定制床垫的发展。
2)、本发明通过将三维扫描技术和有限元法相结合的方法，有效地预测并分析人体与山棕床垫的接触应力，不同的人能根据在不同材料的床垫上的体压分布情况选择适合自己的床垫，从而有效减少背部疼痛，提高睡眠质量。
3)、本发明具有较强的创新性以及重要的工业价值和应用前景，不仅满足了不同的消费者对于床垫品质的追求，也了在保护环境的前提下，促进床垫的个性化设计的发展，使床垫可以完全贴合人体腰椎、颈椎和胸椎，从而提高床垫对人体的支撑性能，提高睡眠质量。
附图说明
图1是人体3D扫描人体模型示意图；
图2是经过逆向处理完成后的人体模型示意图；
图3是人体和床垫的有限元模型示意图；
图4是体压分布测试示意图；
图5是有限元模拟得到的与床垫间的接触应力示意图；
图6是本发明公开的一种预测人体与床垫间的接触应力的方法的流程步骤图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如附图6所示的流程图，本实施例提供一种预测人体与山棕床垫间的接触应力的方法，可以预测人体整体于床垫接触部位的体压分布。本发明仅使用Kinect照相机来生成三维人体模型，Kinect相机不会像Computed Tomograph(CT)或磁共振成像Magnetic Resonance Imaging(MRI)一样给受试者带来辐射的危险，相比更加实用高效。
本发明提出一种预测人体与山棕床垫间的接触应力的方法，包括以下步骤：
S1、对山棕床垫的材料进行压缩试验，得到山棕床垫材料的力学参数。
步骤S1中，山棕试块的大小设定为1900m×810mm×60mm，压缩实验可得，山棕床垫的密度为117.9kg/m3，弹性模量为46.7kPa。
S2、使用感应摄像头Kinect(Microsoft Corp.,Seattle,WA,USA)扫描得到人体表面的点云。
步骤S2中，分别将感应摄像头Kinect置于三个以上的立柱上，每个立柱上都有分别放置于不同高度的三个Kinect，只穿内衣裤的测试者直立于扫描范围内，并保持双臂微张，姿势保持不动大于7s。
S3、扫描得到的人体模型用Geomagic Studio进行逆向处理，获得受试者的人体模型。
S4、将获得的人体模型导入网格生成软件(ANSYS Workbench Inc.,ver.15.0)，在Engineering Data中输入床垫、人体皮肤和人体肌肉的材料参数，对人体与床垫间的接触应力进行预测。
步骤S4中，人体肌肉的材料参数和单元特性定义如下：
人体肌肉采用Mooney-Rivlin超弹性模型，使用Patch Conforming Method将人体肌肉划分为四节点四面体实体单元。
Mooney-Rivlin模型的应变能函数表述为：
W＝A1(J1-3)+A2(J2-3)+A3(J3-2-1)+A4(J3-1)2 (1)
式中，J1,J2,J3是Cauchy-Green应变张量不变量。
Cauchy-Green应变张量不变量表述为：
C＝FT·F (2)
式中，F表示变形张量
J1＝trace(C) (3)
J3＝det(C) (5)
应变能函数对Cauchy-Green应变张量不变量的微分即得到第二Piola-Kirchhoff应力张量，表述如下：
材料参数A1,A2,A3,A4如下：
A1＝1.65kPa
A2＝3.35kPa
A3＝(1/2)A1+A2
A4＝{A1(5v-2)+A2(11v-5)}/2(1-2v)
v＝0.49
式中，v表示泊松比。
步骤S4中，人体皮肤的材料参数和单元特性定义如下：
人体皮肤采用线弹性各向同性模型，人体皮肤定义为2mm，采用三节点三角形壳单元(three-node triangular shell elements)，这种单元是一种具有弯曲能力的三角形单元，皮肤厚度取2mm，杨氏模量取150kPa，泊松比为0.46。
步骤S4中，床垫的材料参数的单元特性和单元特性定义如下：
根据实验获得的床垫材料实际的材料参数进行建模，使用自动划分单元的方法将其划分为六面体单元。
步骤S4中，对人体与山棕床垫在ANSYS Workbench中的求解过程如下：
1)整个人体皮肤表面和人体肌肉组织表面设置Bonded接触，Contact面为肌肉组织表面，Target面为整个皮肤表面，接触算法使用Augmented Largrange。对皮肤和床垫的接触方法设置Frictional，摩擦系数为0.4，Contact面为床垫的上表面，Target面为背部皮肤表面，由于床垫和人体都较为柔软，接触刚度应在实际情况下尽量调小，使用Each iteration进行迭代运算，使用Add Offset.No Ramping，使接触在第一个子步完成加载
2)加载方式采用床垫底部不动，即将床垫底面用固定约束，在人体模型上施加重力。打开大变形(Large Deflection)开关，载荷步通过子步数来定义，初始步长定义为30，最小步长定义为5，最大步长定义为100，最后进行求解。
实施例二
本实施例公开一种预测人体与床垫间的接触应力的有限元模拟方法，具体步骤如下：
首先，对山棕材料进行大量压缩实验来测定山棕床垫的力学性能，对实验得到的应力应变数据进行线性拟合，得到其力学常数。
其次，用压力分布测量系统Tactilus测定选定的人体在仰卧在山棕床垫上的体压分布，获得选定人体的体压数据。
再次，对选定的人体进行三维扫描获得人体外部轮廓，由于扫描得到的是点云数据，用逆向软件Geomagic Studio对人体扫描数据进行处理，得到人体的实体模型。
最后，将得到的人体实体模型和山棕材料参数导入有限元软件中，建立由皮肤和肌肉组织构成的人体模型，预测人体模型与床垫之间的接触压力，并提出了使用皮尔逊系数来比较实验值与模拟值的相关度。考虑人-床系统的几何非线性、材料非线性和接触非线性，模拟了多种人体和床垫的材料模型在不同情况下的接触应力，比较分析了各种模拟情况下的最大接触应力、平均应力值和相关度的变化规律及影响因素。
结果表明，人体皮肤使用线弹性模型、肌肉组织使用超弹性Mooney-Rivlin模型的仿真结果与实验结果吻合较好；肌肉组织使用超弹性模型比线弹性模型更能准确的模拟人体仰卧时的接触应力；建立了皮肤的人体模型比没有建立皮肤的人体模型模拟得到的接触应力更接近实际人体体压分布；有限元模拟中，床垫密度和人体皮肤厚度在一定范围内的变化对接触压力分布情况的影响比较小。
本预测方法得到的人体与床垫间的接触应力和压力分布测量系统Tactilus相比，平均应力、最大应力值非常接近且皮尔逊相关系数为强相关，有限元模拟方法只需获得人体模型和床垫的材料参数，就能够很好地预测人体与床垫间的接触应力，因此，本预测方法提出的有限元建模和计算方法为优化床垫的设计提供了依据，通过对压力分布的测量结果的评估，可以帮助设计者或制造商优化材料的选择，对于床垫的私人定制具有一定的实际意义。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。