本文介紹了應(yīng)用ESI的Virtual Seat Solution(VSS)對(duì)汽車座椅舒適性仿真分析。在設(shè)計(jì)前期對(duì)座椅H點(diǎn)及靜態(tài)舒適性進(jìn)行分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)標(biāo)，確定了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

隨著汽車工業(yè)的飛速進(jìn)步，消費(fèi)者對(duì)汽車品質(zhì)的期望日益提升。汽車座椅作為駕駛和乘坐體驗(yàn)的關(guān)鍵安全與功能組件，已越來(lái)越引起消費(fèi)者的廣泛關(guān)注。核心問題在于汽車座椅的舒適性能是否能夠滿足消費(fèi)者的需求，這一點(diǎn)在評(píng)價(jià)中占據(jù)了至關(guān)重要的地位。

某主機(jī)廠通過(guò)對(duì)某車型內(nèi)飾問題進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)消費(fèi)者對(duì)座椅舒適性方面抱怨占比達(dá)到18.5%，如圖1所示。因此，如何提高座椅乘坐舒適性，是十分值得去解決的課題。

△ 圖1：某車型現(xiàn)狀調(diào)查

傳統(tǒng)汽車座椅開發(fā)流程簡(jiǎn)介

汽車設(shè)計(jì)開發(fā)階段，總布置將車身R點(diǎn)與H重合在一起進(jìn)行人機(jī)布置。汽車R點(diǎn)是理論值，而座椅H點(diǎn)則和座椅的設(shè)計(jì)及加工制造有關(guān)，兩者一般會(huì)存在偏差。而偏差的大小則會(huì)影響到前期總布置的準(zhǔn)確性，若R點(diǎn)過(guò)高，則會(huì)影響頭部空間;若R點(diǎn)太低，則影響到前視野不足。

目前，國(guó)標(biāo)要求座椅H點(diǎn)的誤差不大于10mm。因此，在傳統(tǒng)座椅設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)為了兼顧座椅H點(diǎn)與R點(diǎn)一致性，同時(shí)保證座椅的舒適性，人體與座椅A面都是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定一定穿透量，具體根據(jù)整車開發(fā)風(fēng)格的定位有所不同，如圖2所示。

△ 圖2：座椅人機(jī)布置圖

但由于座椅實(shí)際的H點(diǎn)受造型設(shè)計(jì)、泡沫硬度等影響，而調(diào)整H點(diǎn)對(duì)座椅的舒適性也有變化，經(jīng)驗(yàn)不能覆蓋所有車型座椅，導(dǎo)致后期項(xiàng)目或多或少會(huì)出現(xiàn)座椅舒適性方面。

而且，由于評(píng)價(jià)座椅舒適性基于評(píng)價(jià)人員的主觀乘坐感受進(jìn)行判斷，這種主觀評(píng)價(jià)易受到其他因素影響，如心情好壞、身體尺寸、個(gè)性喜好等。從而會(huì)造成測(cè)試結(jié)果因人而異，無(wú)法獲取客觀的舒適性結(jié)果去指導(dǎo)座椅工程師開發(fā)設(shè)計(jì)。由于缺少客觀數(shù)據(jù)的指導(dǎo)，座椅舒適性開發(fā)存在很大困難。

而且，現(xiàn)階段對(duì)于座椅舒適性只能在實(shí)物樣件出來(lái)后進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而可更改的范圍較小，特 別是很難對(duì)A面進(jìn)行調(diào)整。前期無(wú)驗(yàn)證手段， 導(dǎo)致后期產(chǎn)品出來(lái)后，如果存在舒適性問題難以調(diào)整。某主機(jī)廠經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，前期約有40%的項(xiàng)目因A面調(diào)整，導(dǎo)致泡沫模具報(bào)廢重開。造成了大量的成本和開發(fā)周期問題。

基于VSS的汽車座椅舒適性仿真分析

目前，VSS軟件已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外各大知名整車廠和座椅供應(yīng)商得到廣泛使用，如通用汽車、大眾、福特、本田、馬自達(dá)、現(xiàn)代、田陌、吉利、江森。通過(guò)考慮座椅制造過(guò)程影響、精細(xì)化的分析模型、準(zhǔn)確的材料模型、嚴(yán)格對(duì)標(biāo)的生物力學(xué)人體模型，使其能夠準(zhǔn)確模擬座椅的 各項(xiàng)性能。

仿真分析的準(zhǔn)確性基于準(zhǔn)確的物理模型建模及精準(zhǔn)的材料參數(shù)。VSS軟件系統(tǒng)考慮座椅在制造過(guò)程中各類部件及連接方式，并在軟件中構(gòu)建相應(yīng)的模型。

在材料方面特別值得一提的是對(duì)座椅泡沫測(cè)試方法，傳統(tǒng)泡沫性能測(cè)試均考慮泡沫直接壓縮過(guò)程中的壓縮參數(shù)，但由于泡沫材料作為典型的高分子材料，其應(yīng)力松弛特性表現(xiàn)得尤為突出，單一的直接壓縮并不能有效反映泡沫材料的壓縮特性。

VSS軟件中對(duì)泡沫材料的壓縮性能測(cè)試，要求在間隔5%應(yīng)變時(shí)靜止10分鐘后讀取應(yīng)力，這樣泡沫的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線是考慮泡沫應(yīng)力松弛后的數(shù)據(jù)，更加能反映泡沫材料的壓縮特性， 如圖3所示。

△ 圖3：泡沫壓縮試驗(yàn)加載曲線

仿真分析建模

模型由座椅骨架、鋼絲彈簧、地板、面套、襯墊、泡沫等組件組成，各組件的連接關(guān)系按照VSS軟件幫助文件進(jìn)行建模，圖4為搭建完成的座椅模型。

△ 圖4：座椅仿真模型

座椅H點(diǎn)仿真分析

H點(diǎn)測(cè)量有國(guó)標(biāo)要求，VSS軟件中內(nèi)置了HPM95假人，將其與國(guó)標(biāo)H點(diǎn)測(cè)量 (GB/ T29120)中假人進(jìn)行比對(duì)，兩者假人尺寸及測(cè)試程序基本一致。

進(jìn)行分析時(shí)，導(dǎo)入HPM95假人模型，將假人足跟位置調(diào)整至總布置圖人體足跟點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)，然后固定。并調(diào)整假人位置，使假人和座椅之間沒有穿透，設(shè)置好時(shí)間步長(zhǎng)及輸出參數(shù)，然后進(jìn)行計(jì)算。圖5為某座椅 H點(diǎn)計(jì)算結(jié)果。

△ 圖5：H點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

表1為座椅H點(diǎn)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況，實(shí)測(cè)的3個(gè)座椅由于制造原因泡沫硬度存在一定差異，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定波動(dòng)，但實(shí)驗(yàn)和分析H點(diǎn)Z值差異在4mm以內(nèi)，分析誤差基本可以接受。由于此次分析沒有進(jìn)行制造分析，因此并未考慮面套和泡沫包裹過(guò)程的預(yù)應(yīng)力，分析結(jié)果和實(shí)際結(jié)果差異相對(duì)較大，但仍在可接受范圍內(nèi)。

△ 表1：H點(diǎn)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

座椅靜態(tài)舒適性仿真分析

考慮國(guó)內(nèi)人體體型相對(duì)較歐美人體體型差異較大，故選用了VSS軟件內(nèi)置的韓國(guó)50%分位人體模型進(jìn)行舒適性仿真分析。

分析完成后，選擇與韓國(guó)50%分位相近人體在實(shí)車上進(jìn)行體壓測(cè)試，如圖6所示。

△ 圖6：體壓試驗(yàn)

測(cè)試人員按照與分析座椅的位置調(diào)整成一樣的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。

通過(guò)測(cè)量座椅的前、后位置及高調(diào)上、下位置，求中置后將座椅調(diào)整至盡量與設(shè)計(jì)狀態(tài)相近的位置，然后進(jìn)行試驗(yàn)。

圖7為結(jié)果對(duì)比，仿真分析和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有較高一致性。

△ 圖7：體壓結(jié)果對(duì)比(左圖試驗(yàn)結(jié)果，右圖仿真結(jié)果)

對(duì)于舒適性仿真體壓結(jié)果客觀數(shù)據(jù)判斷，目前，VSS軟件中內(nèi)置了兩個(gè)判定準(zhǔn)則，分別是Zenk準(zhǔn)則和Mergl準(zhǔn)則。

其中Mergl準(zhǔn)則基于《Predicting Long Term Riding Comfort in Cars by Contact Forces between Human and Seat》論文的研究結(jié)果進(jìn)行評(píng)判。該論文中研究了各類人體，并將壓力客觀數(shù)據(jù)和乘客感知舒適度結(jié)合建立一套評(píng)價(jià)體系。

可參考該準(zhǔn)則進(jìn)行靜態(tài)舒適性體壓結(jié)果判定，圖8為Mergl準(zhǔn)則結(jié)果展示。后期隨著企業(yè)仿真數(shù)據(jù)的積累，也可以建立自己企業(yè)的舒適性仿真數(shù)據(jù)判定準(zhǔn)則。

△ 圖8：Mergl準(zhǔn)則結(jié)果

通過(guò)VSS對(duì)座椅進(jìn)行仿真模擬，在保證分析精度的前提下，可以在物理樣機(jī)制造之前便能評(píng)估體壓分布，按照相應(yīng)準(zhǔn)則可以客觀評(píng)價(jià)當(dāng)前狀態(tài)。由于在設(shè)計(jì)初期引入仿真分析，可以提前發(fā)現(xiàn)問題，設(shè)計(jì)人員可以有較大的設(shè)計(jì)裕度，減少在設(shè)計(jì)凍結(jié)之后更改造成的巨大成本浪費(fèi)。

通過(guò)使用VSS，企業(yè)可以在座椅舒適性分析方面，尤其是在初期經(jīng)驗(yàn)不足的情況下，首先進(jìn)行定性分析。隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，企業(yè)可以逐步過(guò)渡到定量分析，并逐步建立一個(gè)完整、完善、可重復(fù)且系統(tǒng)化的評(píng)估與設(shè)計(jì)體系，以滿足未來(lái)技術(shù)發(fā)展的需求。使企業(yè)在汽車座椅研制領(lǐng)域進(jìn)入并保持領(lǐng)先地位，協(xié)助提升產(chǎn)品品質(zhì)，增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。