轿车座椅R点及体压分布仿真计算

1 汽车座椅的设计参数1.1 座椅的实体模型及相应参数各种设备和工具等设计对象在适合于人的使用方面，首先涉及的问题是适合人的形态和功能范围的限度。

例如，一切操纵设备都应设在人的肢体活动所能及的范围之内，其高低位置必须与人体相应部位的高低位置相适应，而且应尽可能设在人操作方面、反应最灵活的范围之内。

所以研究人体尺寸模型—用人体模型描述人体尺度是非常有必要的。

首先其座椅实体模型如下图：图1.1座椅实物图国家标准GB 10000-88《中国成年人人体尺寸》按照人机工程学的要求提供了我国成年人人体尺寸的基础数据。

标准中共给出了7类47项人体尺寸基本数据。

人体的主要尺寸包括身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长等6项。

根据有关统计数据，我国人体基本尺寸见如下表1-1表1-1我国人体基本尺寸单位：mm尺寸名称尺寸数值尺寸名称尺寸数值男女男女并且国家标准规定了不同身高等级的成年人坐姿功能尺寸设计的基本条件、功能尺寸、关节功能活动角度、设计图和使用要求。

主要用人体模版来设计和确定坐姿条件下的座椅、工作面、支撑面、调节配件配置是的功效学要求。

进行座椅设计，不能不考虑室内特定的范围和环境。

人体关节的舒适性是进行座椅设计的主要考虑因素。

图1-2表示的是人体各关节之间的关系。

下图1-2为舒适的坐姿关节角度图1.2舒适坐姿角度图1.2 座椅设计的主要要求以及参数座椅的设计要求：有良好的静态特性，即:座椅的尺寸和形状应使人体具有合适的坐姿，良好的体压分布，触感良好，并能调整尺寸与位置，以保证乘坐稳定、舒适，操作方便；有良好的动态特性，以缓和与衰减有车身传来的冲击和振动，保证乘员能较长时间保持坐姿而不感到疲劳。

结构紧凑，外形与色彩应美观、大方，与车身内饰相协调，并尽可能减轻房量，降低成本，有良好的结构工艺性。

座椅设计的主要参数有：座垫深度、座垫宽度、座垫高度、座垫角度、座垫与靠背的夹角、靠背宽度、靠背高度。

1、椅面高度：椅面高度应使乘员员大腿接近水平、小腿自然放置，根据经验取高度为350mm。

改善汽车座椅静态舒适性的数值模拟方法研究引言汽车座椅静态舒适性是汽车乘坐体验中非常重要的一个方面。

一般来说，汽车座椅的静态舒适性主要指的是乘客在静止状态下乘坐座椅时感受到的舒适度，这与所使用的座椅材料、构造和设计密切相关。

为了提高座椅的静态舒适性，需要使用科学的方法进行研究和优化。

本文将介绍一种改善汽车座椅静态舒适性的数值模拟方法。

第一章座椅压力分布的量化分析座椅压力分布是影响座椅静态舒适性的重要因素之一。

座椅的压力分布通常可以通过传感器测量得到。

为了对座椅的压力分布进行量化分析，需要建立一个座椅传感器测量系统，并进行数据采集和处理。

通过对座椅压力分布的量化分析，可以为下一步的优化设计提供数据支持。

第二章座椅材料参数的选择和优化设计座椅静态舒适性的好坏与所使用的材料和构造密切相关。

为了改善座椅的静态舒适性，需要选择合适的座椅材料，并进行优化设计。

在选择座椅材料时，需要考虑材料的刚度、弹性模量、压缩性能、导热性等因素。

在优化设计中，可以通过调整座椅的曲面形状、填充物的种类和分布等方式来改善座椅的静态舒适性。

第三章座椅结构参数的数值模拟和优化设计座椅结构参数的数值模拟和优化设计是实现座椅静态舒适性改善的关键步骤。

在进行数值模拟前，需要建立一个座椅模型并进行几何参数建模、划分网格等预处理工作。

采用ANSYS等有限元分析软件进行数值模拟，可以对座椅结构参数进行优化设计。

通过优化设计，可以得到座椅结构参数的最优取值，并对座椅的压力分布、应力分布等进行分析。

第四章座椅静态舒适性实验验证座椅静态舒适性的实验验证是确定座椅的静态舒适性是否可以满足设计要求的重要环节。

在实验过程中，需要将所研制的座椅样品安装在专用检测台上，通过电子称、压力板等测试仪器对座椅的压力分布、形变量、变形度等进行测试。

实验结果可以反馈到数值模拟设计中，以进一步优化座椅的设计。

结论通过对汽车座椅静态舒适性数值模拟方法的研究，可以对座椅压力分布、材料参数、结构参数等进行优化设计，以提高汽车座椅的静态舒适性。

收稿日期:2004-07-22作者简介:王宏雁(1962-),女,黑龙江哈尔滨人,工学博士,副教授.E 2mail :why 2sos @汽车座椅有限元建模与计算王宏雁,张　丹(同济大学汽车学院,上海　200092)摘要:采用“壳-体单元相结合”的方法建立座椅计算机辅助分析(CAE )模型.利用Ansys 软件计算了座垫弹性,与座椅试验的力-变形曲线对比,以验证建模与材料定义的正确性.另外还利用正面模拟碰撞中乘员的运动响应,分析了座椅材料的软硬程度对乘员伤害指标的影响.关键词:汽车座椅;有限元;建模;计算中图分类号:U 270.2 文献标识码:A 文章编号:0253-374X (2004)07-0947-05Modeling and Simulation with Finite ElementMethod in Vehicle SeatsW A N G Hong 2yan ,ZHA N G Dan(College of Automobiles ,Tongji University ,Shanghai 200092,China )Abstract :Establish the computer 2aided engineering model of car seat with the methods “shell and solid elements combining ”,calculate the elasticity of seat with pared with the “force 2distortion ”curve of seat test ,we examine the validity of modeling and the definition of materials.The influence of seat softness to the injury index of the driver in frontal crash is also discussed.Key words :car seat ;finite element method ;model building ;simulation 汽车座椅不仅要能够支撑乘员身体的重量,减轻乘员的疲劳以满足主动安全性要求,还要求能与安全带和安全气囊匹配,对乘员定位,缓解碰撞的强度,使乘员的损伤指标达到最小,以满足被动安全性要求[1].在汽车碰撞安全性模拟分析过程中,乘员约束系统的作用不可忽视,所以作为系统因素之一的汽车座椅的建模方法以及它对碰撞模拟分析精度的影响值得探讨.1　座椅模型的建立在整个有限元求解过程中最重要的环节是有限元前处理模型的建立.这一般包括几何模型、网格划分、添加约束与载荷以及定义材料等.它直接影响着碰撞仿真的计算精度和效率.建模的基本原则是准确性,为了保证计算精度,模型必须能够如实反映座椅的几何特性和力学特性.为了提高模拟计算的效率,在建模时还必须考虑单元类型、数量和质量等因素.座椅有限元模型的建立原则为(1)在保证计算目的和精度的条件下,适当简化模型.(2)合理选择单元类型,减少输入数据量和计算时间.(3)合理控制单元大小,相应分配模型单元数.1.1　壳单元的选取第32卷第7期2004年7月同济大学学报(自然科学版)JOURNAL OF TON G J I UN IVERSITY (NATURAL SCIENCE )Vol.32No.7　J ul.2004壳单元的选取应从精度、效率以及对几何型面进行离散化时的方便性和准确性加以考虑.H Y2 PERM ESH软件提供了103,104,106,108号等多种壳单元类型,座椅骨架有限元模型通常采用三角形(103号)和四边形(104号)壳单元.从几何模拟角度看,采用三角形单元进行空间型面离散化,较为灵活、方便、准确,尤其易于逼近复杂的过渡面,在许多CAD/CAM软件中常常采用三角形单元,用作基本的离散化单元,但在有限元分析中,三角形单元的计算精度和准确度较差[2].四边形单元具有较高的精度和准确度,可以有效保证座椅有限元模拟计算与实车碰撞结果的一致性,但四边形单元的计算效率比较低,需要较长机时才能完成模拟计算.建立座椅有限元模型时,尽量采用了四边形单元,尤其是对于座垫、靠背、底座骨架等关键受力部位,全部采用四边形单元划分网格;个别尺寸、形状变化较大的区域,如座椅侧两表面相交处,采用了少量三角形单元.三角单元的比例控制在占总单元数的10%以下(如图1).1.2　体单元的选取H YPERM ESH软件提供了204,206,208,210,215,220等多种体单元类型,根据国外体单元建模经验与笔者的研究结果,座垫、靠背和头枕泡沫的建模选用六面体单元(208号),质量较四面体单元好,而且计算速度快(如图2).图1　骨架底板CAE模型Fig.1　CAE model of skeletonplate图2　座椅头枕CAE模型Fig.2　CAE model of headrest1.3　单元质量的控制根据经验和计算精度的要求,确定控制单元质量原则,见表1.表1　单元质量原则T ab.1　Principle of element qu ality壳单元体单元共用参数warpage(翘曲度)<5.0°<5.0°aspect(单元长宽比)<5.0<5.0 skew(弯曲度)<60.0°<60.0°Length(单元长度)>7.5mm>20mm Jacobian(雅克比)>0.7>0.7tet collapse>0.5 tetra AR<5.0对四边形单元min angle(最小角度)>45°max angle(最大角度)<135°对三角形单元min angle(最小角度)>20°max angle(最大角度)<120°对四边形单元面min angle(最小角度)>45°max angle(最大角度)<135°对三角形单元面min angle(最小角度)>20°max angle(最大角度)<120° 座椅有限元模型如图3～5所示.1.4　模型各部分的连接座椅骨架部分构件是通过焊接装配的,这就涉及到零件焊接工艺的模拟.目前,在有限元计算中对焊接的模拟主要有杆单元连接法、公用单元法和公用节点法等3种比较成熟的方法,如图6～8所示. 公用节点法是一种比较简单的焊接模拟方法,即在焊点位置将所对应的2个零件的单元节点连接起来,两单元公用同一节点,从而模拟焊点的连接功能.杆单元连接法是指在焊点位置采用一无质量的849 同济大学学报(自然科学版)第32卷　刚性杆单元将对应位置的2个节点连接起来.刚性的杆单元约束住所连接的节点,使其具有相同的自由度,以模拟实际焊点的焊接功能,并且还可以定义杆单元承受的轴向力极限和剪切力极限,当超过极限力时,杆单元的约束功能消失,从而模拟焊点失效.公用单元法则可以单独定义公用单元的材料特性,以模拟实际焊接处的金属材料特性,同时也可定义相应的焊接失效条件,因此,这种方法可以对焊点实现精确的模拟,但是工作量十分巨大,不仅需要对焊点作专门的材料试验,而且在有限元网格处理方面也具有一定的难度.比较3种焊接模拟方法,公用单元法虽然最精确,但工作量过于巨大,而且相应的试验会大大增加研究的时间和费用,对本课题而言不适合;公用节点法精度次之,相对也较为简单,零件模型之间吻合精度较高,因公用节点产生的单元翘曲问题比较少,所以在座椅各部分连接时选用了这种方法.1.5　计算模型的定义本课题选用了PAM2CRASH软件进行模拟碰撞分析,所以在它的前处理软件中建立座椅的计算模型.1.5.1　材料参数选择座垫泡沫选用21号材料(elastic foam with hys2 teresis);座椅外包层选用103号材料(iterative elas2 tic plastic);座椅骨架壳单元采用100号材料(null material for shell element),具体参数参考国外公司提供的数据.1.5.2　接触定义人体模型与座椅的接触采用“面对面”方式,即利用软件提供的33号surface/surface接触,对假人臀部和座垫上表面之间的接触、假人背部和靠背内侧表面之间的接触作定义.座椅泡沫自接触(seat2 self)采用边缘处理自接触方式,即软件所提供的36号(self impacting with edge treatment)接触.2　座椅有限元模型的验证通过网格划分和结构连接,将整个座椅离散为4079个壳单元,2955个体单元,建立了完善的座椅CAE模型(见图9).由于座椅CAE模型是经一些简化后得到的,简化过程是否合理,各部分连接是否恰当,尤其是材料的定义是否准确,直接关系到后期碰撞模拟的真实性和可靠性.所以,必须对座椅CAE模型进行静态计算验证.厂方提供了座椅的加载与变形试验曲线,因此,模型静态计算验证实际就是利用软件进行加载与变形的模拟,考察计算数据是否与实际试验结果相符.本课题采用了Ansys软件.对单元进行定义,包括单元类型、实常数、材料特性等.其中骨架和外包壳单元选用Shell63号单元,泡沫体单元选用Solid 45号单元,见图10.根据座椅通常受力情况,对座垫内固定区域加949　第7期王宏雁,等:汽车座椅有限元建模与计算 载,见图11,每个节点受力均匀.加载节点数为132;面积为400mm ×400mm ;载荷以50N 为步长,从10N 依次增加至650N ,每次加载位置不变.对比计算与试验结果可知:模拟计算结果与试验曲线总的走势基本相符.但在同一载荷作用下,模拟计算的座椅泡沫变形量比真实座椅产生的变形要大一些.在载荷为600N 时,最大相对误差为29.8%(见图12).说明模型对座垫泡沫材料的定义偏软.图12　计算结果与试验曲线对比Fig.12　Curve comparison betw een simulation and test3　座椅材料的软硬程度对碰撞安全性分析的影响 如前所述,在座椅的计算模型建立过程中,座椅材料的定义由于没有试验条件,所以参考了国外汽车公司的试验和经验数据,静态计算结果也表明,所定义的材料偏软.因此必须对材料参数是否会影响最终的整车乘员约束系统的运动响应模拟分析精度[3]进行研究.笔者通过对比不同的座垫泡沫材料在碰撞时对乘员造成的伤害指标,来验证座垫泡沫材料定义的可靠性.根据国家标准,选取假人头部伤害指标I HIC 值、胸部综合加速度a 3ms 、大腿轴向受力F 等3项伤害指标作为评价标准.应用Pam 2crash 软件输入现有座椅泡沫材料,进行正面模拟碰撞,得到乘员的3项伤害指标.然后,用乘员的定位参数定义,在不改变乘员初始定位H 点坐标的前提下,改变座椅座垫泡沫的材料特性,保持应变相同,分别将应力值增加至原来的2倍或者减少至原来的1/2,再次进行模拟碰撞,得到乘员的伤害指标与原来的数值进行比较.3种不同材料对乘员的伤害指标的变化规律,见图13～15.图13　I HIC 值及加速度曲线Fig.13　Curve of I HIC and acceleration59 同济大学学报(自然科学版)第32卷　图14　a 3ms 值及加速度曲线Fig.14　Curve of a 3ms andacceleration图15　腿部受力曲线Fig.15　Axial force curve of the leg 通过以上3种指标的比较,可以看出它们的最大峰值和出现的时间历程都相差无几,由此可知:若座椅泡沫材料相同,仅它的软硬程度不同,对于正面模拟碰撞中乘员的伤害程度的影响很小.其原因在于:座椅的软硬程度的改变,主要影响到了乘员在垂直方向受到的作用力,对正面碰撞过程中乘员由于惯性产生的纵向运动影响不大.图16所示的是在正面碰撞过程中,座椅受最大纵向碰撞力和乘员重力作用下的变形模拟情况.图16　70ms 时座椅变形形状Fig.16　Deform shape at 70ms4　结论采用“体-壳”结合的方法对汽车座椅进行有限元建模的研究是成功的,经试验验证和计算研究这种方法独特且有效,所建模型合理可靠.总的来说,座椅在整车运算过程中,值得注意的因素是体单元质量,提高六面体单元的比例能保证运算的稳定性;其次是材料的定义问题,应与静态试验结果尽量吻合,运算更合理.参考文献:[1]　姚卫民,孙丹丹.汽车座椅系统安全性综述[J ].汽车技术,2002,(8):5-8.[2]　高广军.有限元三维实体与壳单元的组合建模问题研究[J ].中国铁道科学,2002,23(3):52-54.[3]　龚　剑,张金换,黄世霖,等.PAM 2CRASH 碰撞模拟中主要控制参数影响的分析[J ].振动与冲击,2002,21(3):18-20.(编辑:张　弘)159　第7期王宏雁,等:汽车座椅有限元建模与计算。

摘要座椅作为汽车直接与驾乘人员接触的重要子系统，其舒适性是座椅设计制造过程中必须考量的重要因素，近年来随着国民生活水平的提高，人们对汽车座椅的乘坐舒适性也提出了更高的要求。

体压分布作为座椅舒适性客观评价的重要方法，其与主观舒适性之间的关系存在复杂性和高非线性的特点，本文利用智能优化算法探究客观评价与主观评价之间的定量关系，构建了汽车座椅舒适性预测模型，并与座椅有限元仿真模型相结合，对座椅泡沫方案的筛选进行应用，为汽车座椅舒适性的设计和评价提供更加简便、精确、高效的方法。

首先进行了汽车座椅静态舒适性主客观评价试验，设计了包含人体各部分区域在内的舒适性主观评价表，通过主客观评价试验获得了体压分布数据和区域舒适性主观评价。

采用相关性分析方法对体压指标进行了筛选，获得了10个体压指标，并对所得体压分布数据进行正态性检验。

运用层次分析方法对主观舒适性评价项做了权重分析，获得了13个主观舒适性评价项的权重系数，通过权重系数计算出整体舒适性评价结果。

然后利用人工蜂群算法优化后的BP神经网络（ABC-BP）来预测座椅的舒适性的方法，将舒适性主客观评价试验所获得10个体压指标作为输入，整体舒适性评价作为输出，构建了基于ABC-BP的座椅舒适性预测模型。

试验所得176个样本数据中的89%作为模型的训练部分，11%的数据作为模型验证，将预测结果与真实值相比较。

ABC-BP预测模型的均方误差MSE为0.0019，确定性系数R2为0.946，比传统BP神经网络预测模型得到的MSE降低了84.68%，R2提高了42.5%。

结果表明利用人工蜂群算法优化后的BP神经网络所建立的汽车座椅舒适性预测模型稳定性更强、预测效果更加精准。

最后建立了座椅有限元仿真模型，通过对三种不同泡沫硬度的座椅进行了体压分布仿真分析，并将体压分析数据作为输入，利用基于ABC-BP的座椅舒适性预测模型预测了三种泡沫硬度座椅的舒适性评分。

实际证明，座椅有限元仿真模型结合基于ABC-BP的座椅舒适性预测模型，能够在座椅设计初期对泡沫舒适性进行预测，实现对不同设计方案的评价。