基于VSS軟件的汽車座椅舒適性仿真分析

本文介紹了應(yīng)用ESI的Virtual Seat Solution(VSS)對汽車座椅舒適性仿真分析。在設(shè)計前期對座椅H點及靜態(tài)舒適性進(jìn)行分析，并通過實驗對標(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，消費者對汽車品質(zhì)的期望日益提升。汽車座椅作為駕駛和乘坐體驗的關(guān)鍵安全與功能組件，已越來越引起消費者的廣泛關(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者的需求，這一點在評價中占據(jù)了至關(guān)重要的地位。

某主機(jī)廠通過對某車型內(nèi)飾問題進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)消費者對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)流程簡介

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

目前，國標(biāo)要求座椅H點的誤差不大于10mm。因此，在傳統(tǒng)座椅設(shè)計開發(fā)時為了兼顧座椅H點與R點一致性，同時保證座椅的舒適性，人體與座椅A面都是依據(jù)經(jīng)驗設(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

但由于座椅實際的H點受造型設(shè)計、泡沫硬度等影響，而調(diào)整H點對座椅的舒適性也有變化，經(jīng)驗不能覆蓋所有車型座椅，導(dǎo)致后期項目或多或少會出現(xiàn)座椅舒適性方面。

而且，由于評價座椅舒適性基于評價人員的主觀乘坐感受進(jìn)行判斷，這種主觀評價易受到其他因素影響，如心情好壞、身體尺寸、個性喜好等。從而會造成測試結(jié)果因人而異，無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。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)階段對于座椅舒適性只能在實物樣件出來后進(jìn)行評價，從而可更改的范圍較小，特 別是很難對A面進(jìn)行調(diào)整。前期無驗證手段， 導(dǎo)致后期產(chǎn)品出來后，如果存在舒適性問題難以調(diào)整。某主機(jī)廠經(jīng)過統(tǒng)計，前期約有40%的項目因A面調(diào)整，導(dǎo)致泡沫模具報廢重開。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。通過考慮座椅制造過程影響、精細(xì)化的分析模型、準(zhǔn)確的材料模型、嚴(yán)格對標(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座椅泡沫測試方法，傳統(tǒng)泡沫性能測試均考慮泡沫直接壓縮過程中的壓縮參數(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軟件中對泡沫材料的壓縮性能測試，要求在間隔5%應(yīng)變時靜止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點仿真分析

H點測量有國標(biāo)要求，VSS軟件中內(nèi)置了HPM95假人，將其與國標(biāo)H點測量 (GB/ T29120)中假人進(jìn)行比對，兩者假人尺寸及測試程序基本一致。

進(jìn)行分析時，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位置對應(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)置好時間步長及輸出參數(shù)，然后進(jìn)行計算。圖5為某座椅 H點計算結(jié)果。

△ 圖5：H點計算結(jié)果

表1為座椅H點仿真結(jié)果和實驗結(jié)果的對比情況，實測的3個座椅由于制造原因泡沫硬度存在一定差異，導(dǎo)致實驗結(jié)果有一定波動，但實驗和分析H點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程的預(yù)應(yīng)力，分析結(jié)果和實際結(jié)果差異相對較大，但仍在可接受范圍內(nèi)。

△ 表1：H點仿真結(jié)果和實驗結(jié)果對比

座椅靜態(tài)舒適性仿真分析

考慮國內(nèi)人體體型相對較歐美人體體型差異較大，故選用了VSS軟件內(nèi)置的韓國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50%分位相近人體在實車上進(jìn)行體壓測試，如圖6所示。

△ 圖6：體壓試驗

測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)行測試。

通過測量座椅的前、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)計狀態(tài)相近的位置，然后進(jìn)行試驗。

圖7為結(jié)果對比，仿真分析和實驗的結(jié)果有較高一致性。

△ 圖7：體壓結(jié)果對比(左圖試驗結(jié)果，右圖仿真結(jié)果)

對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)合建立一套評價體系。

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VSS對座椅進(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)制造之前便能評估體壓分布，按照相應(yīng)準(zhǔn)則可以客觀評價當(dāng)前狀態(tài)。由于在設(shè)計初期引入仿真分析，可以提前發(fā)現(xiàn)問題，設(shè)計人員可以有較大的設(shè)計裕度，減少在設(shè)計凍結(jié)之后更改造成的巨大成本浪費。

通過使用VSS，企業(yè)可以在座椅舒適性分析方面，尤其是在初期經(jīng)驗不足的情況下，首先進(jìn)行定性分析。隨著經(jīng)驗的積累，企業(yè)可以逐步過渡到定量分析，并逐步建立一個完整、完善、可重復(fù)且系統(tǒng)化的評估與設(shè)計體系，以滿足未來技術(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)品競爭力。