本文介绍了应用ESI的Virtual Seat Solution(VSS)对汽车座椅舒适性仿真分析。在设计前期对座椅H点及静态舒适性进行分析,并通过实验对标,确定了分析结果的准确性。
随着汽车工业的飞速进步,消费者对汽车品质的期望日益提升。汽车座椅作为驾驶和乘坐体验的关键安全与功能组件,已越来越引起消费者的广泛关注。核心问题在于汽车座椅的舒适性能是否能够满足消费者的需求,这一点在评价中占据了至关重要的地位。
某主机厂通过对某车型内饰问题进行调查,发现消费者对座椅舒适性方面抱怨占比达到18.5%,如图1所示。因此,如何提高座椅乘坐舒适性,是十分值得去解决的课题。
△ 图1:某车型现状调查
传统汽车座椅开发流程简介
汽车设计开发阶段,总布置将车身R点与H重合在一起进行人机布置。汽车R点是理论值,而座椅H点则和座椅的设计及加工制造有关,两者一般会存在偏差。而偏差的大小则会影响到前期总布置的准确性,若R点过高,则会影响头部空间;若R点太低,则影响到前视野不足。
目前,国标要求座椅H点的误差不大于10mm。因此,在传统座椅设计开发时为了兼顾座椅H点与R点一致性,同时保证座椅的舒适性,人体与座椅A面都是依据经验设定一定穿透量,具体根据整车开发风格的定位有所不同,如图2所示。
△ 图2:座椅人机布置图
但由于座椅实际的H点受造型设计、泡沫硬度等影响,而调整H点对座椅的舒适性也有变化,经验不能覆盖所有车型座椅,导致后期项目或多或少会出现座椅舒适性方面。
而且,由于评价座椅舒适性基于评价人员的主观乘坐感受进行判断,这种主观评价易受到其他因素影响,如心情好坏、身体尺寸、个性喜好等。从而会造成测试结果因人而异,无法获取客观的舒适性结果去指导座椅工程师开发设计。由于缺少客观数据的指导,座椅舒适性开发存在很大困难。
而且,现阶段对于座椅舒适性只能在实物样件出来后进行评价,从而可更改的范围较小,特 别是很难对A面进行调整。前期无验证手段, 导致后期产品出来后,如果存在舒适性问题难以调整。某主机厂经过统计,前期约有40%的项目因A面调整,导致泡沫模具报废重开。造成了大量的成本和开发周期问题。
基于VSS的汽车座椅舒适性仿真分析
目前,VSS软件已经在国内外各大知名整车厂和座椅供应商得到广泛使用,如通用汽车、大众、福特、本田、马自达、现代、田陌、吉利、江森。通过考虑座椅制造过程影响、精细化的分析模型、准确的材料模型、严格对标的生物力学人体模型,使其能够准确interwetten与威廉的赔率体系 座椅的 各项性能。
仿真分析的准确性基于准确的物理模型建模及精准的材料参数。VSS软件系统考虑座椅在制造过程中各类部件及连接方式,并在软件中构建相应的模型。
在材料方面特别值得一提的是对座椅泡沫测试方法,传统泡沫性能测试均考虑泡沫直接压缩过程中的压缩参数,但由于泡沫材料作为典型的高分子材料,其应力松弛特性表现得尤为突出,单一的直接压缩并不能有效反映泡沫材料的压缩特性。
VSS软件中对泡沫材料的压缩性能测试,要求在间隔5%应变时静止10分钟后读取应力,这样泡沫的压缩应力应变曲线是考虑泡沫应力松弛后的数据,更加能反映泡沫材料的压缩特性, 如图3所示。
△ 图3:泡沫压缩试验加载曲线
仿真分析建模
模型由座椅骨架、钢丝弹簧、地板、面套、衬垫、泡沫等组件组成,各组件的连接关系按照VSS软件帮助文件进行建模,图4为搭建完成的座椅模型。
△ 图4:座椅仿真模型
座椅H点仿真分析
H点测量有国标要求,VSS软件中内置了HPM95假人,将其与国标H点测量 (GB/ T29120)中假人进行比对,两者假人尺寸及测试程序基本一致。
进行分析时,导入HPM95假人模型,将假人足跟位置调整至总布置图人体足跟点位置对应,然后固定。并调整假人位置,使假人和座椅之间没有穿透,设置好时间步长及输出参数,然后进行计算。图5为某座椅 H点计算结果。
△ 图5:H点计算结果
表1为座椅H点仿真结果和实验结果的对比情况,实测的3个座椅由于制造原因泡沫硬度存在一定差异,导致实验结果有一定波动,但实验和分析H点Z值差异在4mm以内,分析误差基本可以接受。由于此次分析没有进行制造分析,因此并未考虑面套和泡沫包裹过程的预应力,分析结果和实际结果差异相对较大,但仍在可接受范围内。
△ 表1:H点仿真结果和实验结果对比
座椅静态舒适性仿真分析
考虑国内人体体型相对较欧美人体体型差异较大,故选用了VSS软件内置的韩国50%分位人体模型进行舒适性仿真分析。
分析完成后,选择与韩国50%分位相近人体在实车上进行体压测试,如图6所示。
△ 图6:体压试验
测试人员按照与分析座椅的位置调整成一样的状态进行测试。
通过测量座椅的前、后位置及高调上、下位置,求中置后将座椅调整至尽量与设计状态相近的位置,然后进行试验。
图7为结果对比,仿真分析和实验的结果有较高一致性。
△ 图7:体压结果对比(左图试验结果,右图仿真结果)
对于舒适性仿真体压结果客观数据判断,目前,VSS软件中内置了两个判定准则,分别是Zenk准则和Mergl准则。
其中Mergl准则基于《Predicting Long Term Riding Comfort in Cars by Contact Forces between Human and Seat》论文的研究结果进行评判。该论文中研究了各类人体,并将压力客观数据和乘客感知舒适度结合建立一套评价体系。
可参考该准则进行静态舒适性体压结果判定,图8为Mergl准则结果展示。后期随着企业仿真数据的积累,也可以建立自己企业的舒适性仿真数据判定准则。
△ 图8:Mergl准则结果
通过VSS对座椅进行仿真模拟,在保证分析精度的前提下,可以在物理样机制造之前便能评估体压分布,按照相应准则可以客观评价当前状态。由于在设计初期引入仿真分析,可以提前发现问题,设计人员可以有较大的设计裕度,减少在设计冻结之后更改造成的巨大成本浪费。
通过使用VSS,企业可以在座椅舒适性分析方面,尤其是在初期经验不足的情况下,首先进行定性分析。随着经验的积累,企业可以逐步过渡到定量分析,并逐步建立一个完整、完善、可重复且系统化的评估与设计体系,以满足未来威廉希尔官方网站 发展的需求。使企业在汽车座椅研制领域进入并保持领先地位,协助提升产品品质,增强产品竞争力。
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原文标题:浅谈基于VSS的汽车座椅舒适性仿真分析
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