基于ANSYS和人機工程學的賽車座椅設計與優化

曹佳潭，劉學淵，夏 杰，李加強，楊正華，李文財，俞揚榮，郭子駿

（西南林業大學 機械與交通學院，云南 昆明 650224）

人機工程學是近年興起的一門綜合性強的交叉學科，它是著重于研究人、機、環境相互作用和關系的規律，以此優化人-機-環境系統的一門邊緣學科。其目的是讓人在使用機械的過程中感到“安全、健康、舒適、高效”[1]。經過較長時間的積累，汽車設計已形成固定流程，不但包含設計模型，還包括前期市場調研、需求分析、工程及產品投放后的反饋。需要對各種因素進行綜合考慮并不斷完善產品，最終獲得良好的用戶體驗[2]。

1 賽車座椅人機工程學設計

1.1 設計要求

汽車駕駛室座椅的設計屬于汽車駕駛室設計中的主要部分，座椅特性的好壞直接影響駕駛員的工作狀態，影響到駕駛安全[3]。賽車座椅人機設計原則要求遵循安全性原則、精準性原則、舒適性原則、美觀性原則[4]。如果賽車座椅性能不達標，駕駛過程中車手的姿態會受到極大干擾，進而影響到駕駛安全。所以座椅的包裹性是否優秀是衡量賽車座椅安全性的重要指標。本文的目的是設計出一款輕量化、符合人體工程學的賽車座椅并進行優化。

1.2 坐姿及座椅參數分析

1.2.1 人體舒適坐姿角度

通常情況下，最舒適的坐姿可以描述為上手臂與豎直線夾角θ1為15°～35°，靠背與豎直線夾角θ2為10°～20°，上手臂與前手臂夾角θ3為15°～35°，體腿夾角θ4為90°～115°，大腿與小腿夾角θ5為100°～120°，腳面與小腿夾角θ6為85°～95°。如圖1所示[5]。

圖1 人體舒適坐姿角度圖

1.2.2 座椅主要參數

根據人體的結構，結合國家標準《工作座椅一般人類功效學要求》（GB/T 14774—1993），座高為360～480 mm、座寬為370～420 mm、座深為369～390 mm。其中，座高為坐面前緣起拱處最高點與座椅支點所在水平基準面之間的垂直距離；座寬為坐面左右邊緣間通過座椅轉動軸與坐面交點處且垂直于左右對稱面的水平距離（無轉動軸的座椅，該參數在坐面深度方向二分之一處測量）；座深為在與座寬相垂直的對稱面內，坐面前緣與過腰靠支撐點所引垂線間的水平距離；座椅的靠背夾角也要進行合理設計，夾角過小會壓迫脊椎影響駕駛員的健康，夾角過大又會使駕駛視野變狹窄。

2 建模及靜力學分析

2.1 UG建立賽車座椅模型

在UG建模界面中建立座寬為420 mm，座高 為460 mm，座深為380 mm，夾角為100°的座椅，側包圍保護部分的偏轉角為140°。利用該參數設計出的座椅，對腿部的承托效果良好，貼合人體背部與臀部，包裹性優秀，同時駕駛員在乘坐時坐姿舒適、駕駛時視野寬廣，符合國家標準和人機工程學原理。座椅如圖2所示，座椅吊耳如圖3所示。

圖3 吊耳模型圖

2.2 ANSYS Workbench有限元分析座椅

2.2.1 網格劃分

在ANSYS中，合理的網格劃分在一定程度決定解算結果的精度以及運算速度，所以需要對不同結構進行網格類型和網格大小的精確選擇，并在應力集中處進行局部網格加密，來提高網格劃分質量。ANSYS Workbench中自動生成的網格質量較差，結果誤差較大，不適用于復雜曲面結合體的分析，故將吊耳與座椅拆分，采用四面體的方法對模型進行網格劃分。使截面變化或其他易產生應力集中的部位網格劃分得較密，而其他不重要的部分劃分較為稀疏一些，最后獲取網格劃分模型[6]，如圖4所示。

圖4 座椅網格劃分圖

2.2.2 靜力學分析

在靜態結構中選取丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS）塑料為材料，輸入參數：密度為1.18 g/cm3，彈性模量為2 GPa，泊松比為0.394，抗拉強度為80 MPa，屈服強度為6000 MPa。一個正常成年男性的體重約為75 kg，為測試該座椅的極限性能，選取體重為90 kg的對象為試驗樣本。進行分析，創建接觸（座椅和吊耳），接觸容差為0.1 mm，創建自動的連接接觸，將接觸類型轉變為摩擦接觸，摩擦系數設置為0.2，之后添加吊耳的固定支撐。添加載荷，根據人機工程學，臀部應充分貼合座椅，故座椅底部添加750 N的力，靠背部添加200 N的力，側包圍部分只起約束作用，添加25～50 N不等的力，之后進行求解。變形和應力云圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 座椅變形云圖

圖6 座椅應力云圖

由表1座椅形變數據和表2座椅應力數據可知，主要的變形點集中在肩部和側包圍的著力點處，從應力圖中得知，臀部著力點所受應力最大，在上述附加條件下，座椅的最大應力為105.84 MPa，最大變形處高達25.72 mm，不符合5 mm的目標形變值。

表1 座椅形變數據

表2 座椅應力數據

由物理性能，求解ABS塑料材質下踏板的安全因子為

式中，σb為材料斷裂時的極限強度，MPa；n為材料構件的安全因子；σ為材料應力，MPa。

ABS工程塑料安全系數取2.5，計算得到材料的安全因子為1.98，不在合理范圍內，該種情況說明座椅的設計存在嚴重缺陷，要針對仿真結果對選材和座椅結構進行調整。

2.2.3 賽車座椅仿真優化

材質選用ABS工程塑料，座椅雖形變過大但在實際情況下也可以進行正常使用。不過ABS工程塑料的阻燃性能較差，且抗扭抗拉能力較差，故考慮對材料進行更換。碳纖維復合材料因具有優異的材料特性（低密度、比強度高及可設計性強等）而廣泛應用于汽車輕量化設計[7]。選用碳纖維為改善材料，將受力分散區域的厚度減少了 1 mm以節省材料；根據人機工程學結合圖像，腰部基本沒有受力，缺乏支撐，將腰部進行收緊以增強貼合效果增強包裹性；臀部應力較大，將面積加大，使駕駛員坐姿更加舒適寬敞；然后把臀部和側包圍部分加厚0.5 mm，應力集中處在制作時加入強芯氈以增加強度。之后輸入參數：密度為1.50 g/cm3，彈性模量為300 GPa，泊松比為0.307，抗拉強度為4900 MPa，碳纖維材料實際上沒有屈服強度。分析得出的變形和應力云圖如圖7和圖8所示。

圖7 優化后的座椅變形云圖

圖8 優化后的座椅應力云圖

由變形云圖和表3、表4數據可知，優化后的賽車座椅最大形變處為3.5217 mm，平均形變量 為0.7749 mm，最大應力處為170.94 MPa，平均應力為42.538 MPa。結果表明，在臀部與背部出現了最大應力處，最大應力小于極限抗拉強度 4900 MPa和極限抗壓強度3500 MPa；碳纖維安全系數為3，計算安全系數等于3.015，在合理范圍內；符合國家標準，家具力學性能試驗椅凳類穩定性標準；質量從2.714 kg減輕到了2.313 kg。通過表5可以得出該座椅設計的較優結果。

表3 優化后的座椅形變數據

表4 優化后的座椅應力數據

表5 兩種材質座椅應力應變對照表

3 小結

綜上所述，根據人機學以及有限元分析得出，在座椅所受應力較小的位置應減薄壁厚以達到節省材料減輕重量的目的，集中一些的受力位置應增加壁厚，同時在結構上增加受力面積來分散力的作用以減小應力，從而實現輕量化和高強度。在設計座椅的過程中，要充分應用人機工程學原理，掌握各種試驗方法，熟練運用分析軟件，熟悉材料性質，重點考慮應力集中處并作出優化余量。