座椅靜態舒適性仿真與性能優化

【摘要】為提高普通家用轎車的座椅靜態舒適性，基于SAE-J826工裝有限元模型和CASIMIR軟件提供的第50百分位柔性人體有限元模型，提出了包含H點位置預測和座墊壓力分布均勻性的座椅靜態舒適性仿真分析方法，并利用HyperStudy優化工具平衡和提升了座椅靜態舒適性能，仿真結果與試驗結果取得了較好的一致性。

關鍵詞：座椅靜態舒適性 H點位置預測 座墊壓力分布 舒適性優化

中圖分類號：U463.83 文獻標志碼：A DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230263

Seat Static Comfort Simulation and Performance Optimization

Cai Qingrong

（Pan Asia Technical Automotive Center Co.， Ltd.， Shanghai 201201）

【Abstract】To improve the static comfort of normal family cars， this paper proposes the seat static comfort simulation analysis method including H-point position prediction and seat cushion pressure distribution uniformity based on SAE J826 tooling finite element model and the 50th percentile flexible human body FE model provided by CASIMIR software， and the static comfort performance is improved by HyperStudy optimization tool. The simulation results are consistent with the experiments results.

Key words： Seat static comfort， H-point position prediction， Seat cushion pressure distribution， Comfort optimization

【引用格式】 蔡慶榮. 座椅靜態舒適性仿真與性能優化[J]. 汽車工程師， 2024（11）： 31-36.

CAI Q R. Seat Static Comfort Simulation and Performance Optimization[J]. Automotive Engineer， 2024（11）： 31-36.

1 前言

汽車座椅是承載乘員的重要部件，其舒適性直接影響乘員的乘坐體驗。座椅舒適性一般包括靜態舒適性、動態舒適性和操作舒適性[1]，靜態舒適性是指在車輛靜止狀態下，乘員對座椅的舒適程度評價。座椅的自身特性對靜態舒適性起決定性作用，如座椅的幾何尺寸、輪廓和形狀、發泡的軟硬程度等[2]。

以往，座椅制造商、整車制造商主要通過實物測試進行座椅舒適性優化，研發周期長、成本高，不能滿足快節奏的汽車設計開發要求。隨機計算機技術和仿真技術的不斷進步，國內外學者通過商用仿真軟件（Ls-Dyna、MADYMO、PAM-COMFORT等）進行了座椅舒適性的仿真探索，主要包括采用仿真手段預測座椅H點位置是否符合設計目標、剛性假人在座椅上的壓力分布均勻程度[3]，而真實柔性假人的靜態舒適性分析研究鮮有報道。

本文基于CASIMIR軟件提供的第50百分位真實柔性假人有限元模型，對開發過程中某車型座椅靜態舒適性相關性能（H點位置、壓力分布均勻性）進行仿真預測，并通過HyperStudy的優化工具優化平衡座椅的靜態舒適性。

2 座椅靜態舒適性分析

2.1 座椅有限元模型建立

座椅靜態舒適性仿真的前提是建立準確的座椅有限元模型，本文以某車型駕駛員座椅為例，搭建座椅有限元模型并設定模型的關鍵參數，即發泡和面套材料特性的標定。

2.1.1 座椅有限元模型基本結構

選取合適的座椅組件搭建座椅靜態舒適性分析的有限元模型，包括座椅骨架、鋼絲彈簧、發泡、面套、塑料件等主要承力件，不含頭枕、座椅線束及其連接卡扣、安全帶扣等非承力件。其中，座椅骨架在靜態舒適性測試條件下變形很小，故在模型中將其簡化為剛性體部件，其余主要承力件建模為柔性體部件。其中，鋼絲彈簧使用一維梁單元建模，發泡用六面體單元建模，面套和塑料件用二維殼單元建模[4]。為提高計算效率，以平均網格尺寸為10 mm搭建有限元模型。彈簧鋼絲與發泡實體間采用“點對面”接觸方式。駕駛員座椅有限元模型如圖1所示，包含48 387個節點、54 586個單元。

2.1.2 發泡材料參數驗證

座椅發泡是承受乘員載荷的主要介質，發泡受壓變形的特性直接影響座椅乘坐舒適性。為在仿真分析中準確預測座椅舒適性的相關指標，需要對有限元模型賦予準確的力學特性參數。本文按照ISO 3386-1： 1986（E）《軟質泡沫聚合材料 壓縮應力應變特性的測定 第1部分：低密度材料》，如圖2所示，將利用特定工藝參數制造的發泡切割成長度×寬度×高度為400 mm×400 mm×50 mm的試樣，考慮到實際發泡力學特性的分散性，至少準備3個試樣進行測試。

對每個發泡試樣以100 mm/min的加載速率將體積壓縮65%，共進行4個壓縮和卸載循環，前3次壓縮和卸載使發泡結構包含的空氣自由排出，繪制測試設備輸出的力-位移曲線。按照材料力學公式轉換為圖3所示的第4次發泡受壓的應力-發泡體積壓縮比曲線。

考慮到靜態舒適性測試時發泡處于壓縮狀態，取第4次發泡壓縮-卸載中壓縮部分的力學曲線進行發泡材料參數標定，基于應變能理論擬合出Abaqus軟件中*Hyperfoam材料本構二階方程中的各項參數：

2.1.3 面套材料參數驗證

乘員乘坐座椅時座椅面套被拉伸延展，面套的力學表現起到重要的載荷傳遞作用，在有限元模型中需要賦予準確的面套材料參數。將座椅面套裁切成200 mm×200 mm的試樣，分別沿著經向、緯向按照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定》進行拉伸測試，如圖5所示，測試按照2 mm/s的速度進行加載，包含3次拉長4%的預加載，第4次加載時拉長至6%，取第4次拉伸卸載的力-位移曲線制作面套材料卡。

面套在拉伸過程中伴隨著剪切變形，需要通過面套剪切試驗來獲取其材料參數。將座椅面套裁切成400 mm×400 mm的試樣進行試驗。如圖6所示，在抗剪方面的力學表現主要反映了名義剪應力T12，計算公式為：

通常選取Abaqus中*Hypoelastic+*Rebar layer材料本構模型表征織物面套材料，選取*Hypoelastic或*Fabric材料本構模型表征皮革材質的座椅面套材料，通過類似發泡標定的仿真擬合方法獲得仿真分析的面套材料參數。典型的皮革材料力學特性對比結果如圖7所示。

2.2 H點位置預測分析與對比

在GB/T 29120—2012《H點和R點確定程序》中，三維H點裝置-Ⅱ（there-dimensional H-Point Machine-Ⅱ，HPM-Ⅱ）的H點是座板總成和背板總成的鉸接中心點。H點的位置直接影響乘員與周圍零件間的距離及乘員的視野，進而影響乘員對座椅靜態舒適性的主觀評價[5]。

座椅為彈性體，尤其是發泡受載后會發生形變，形變量與座椅的輪廓、發泡的厚度和硬度存在很強的非線性關系，所以在座椅開發階段很難準確預測H點的實際位置。H點測量試驗如圖８所示。

本文針對開發過程中的某車型駕駛員座椅，搭建了Abaqus座椅有限元模型，參照SAE-J826搭建了H點測量工具有限元模型，對H點位置和軀干角進行仿真預測。仿真分析流程如圖９所示。

某車型駕駛員座椅的H點預測分析和試驗結果如圖10和表2所示：有限元模型預測的H點位置與設計目標H點之間的偏差為6.71 mm，通常在研發階段位置偏差不超過5 mm是可接受的；軀干角（軀干與Z軸的夾角）的設計值為22°，仿真中靠背角為20.8°，通常在研發階段軀干角偏差不超過1°是可接受的。當前H點位置和靠背角均超出了可接受范圍，靠背角反映乘員軀干的直立狀態，直接影響座椅靜態舒適性的主觀感受，通常需要調整座椅發泡的硬度來改善H點位置、靠背角的超差。可以在項目前期借助仿真模型研究座椅造型面對H點位置偏差的影響，但這些設計參數的調整會影響到座墊的壓力分布均勻性，需要綜合考慮和平衡。

2.3 壓力分布均勻性分析與對比

如圖11所示，在進行座椅壓力分布測試時，需要在座椅上鋪覆Xsensor壓力分布測試墊，選擇身高、體重滿足第50百分位柔性假人尺寸要求的工作人員對座椅進行乘坐測試，測試墊的壓力數據實時傳遞給計算機，取測試平穩后2 min內的平均結果輸出云圖[6]。

基于Casimir軟件提供的柔性人體假人有限元模型進行座墊和靠背壓力分布均勻性的分析。該假人模型是在人體組織的力學試驗基礎上建立的柔性假人，比剛性假人模型更能反映乘員乘坐時的實際情況。本文選取符合亞洲人體尺寸的第50百分位男性假人進行仿真分析，假人的尺寸定義和具體數據如圖12和表3所示。

在搭建好的某車型的駕駛員座椅有限元模型上，導入上述第50百分位男性柔性假人模型，如圖13所示，按照總布置的定義設定駕駛員的正確坐姿，包括雙手握轉向盤的位置，腳跟點位置和腳掌傾斜角度等。

定義柔性假人與座墊和靠背的接觸關系，向模型整體施加1倍自重的外部載荷用于模擬人體在座椅上的受載情況。如圖14所示，假人乘坐狀態座墊發泡和靠背發泡上的壓力分布結果顯示，靠背發泡的應力較為均勻，而座墊發泡的局部應力達到0.013 MPa，對照發泡的力學特性曲線可知，座墊發泡局部承受了較大的載荷而產生了較大的體積壓縮。

如圖15所示，目前行業內普遍采用“17位壓力分布區”的峰值壓力和分區之間的壓力變化梯度來評價壓力分布的均勻性水平[7]。通常，10號區域和11號區域的壓力峰值最大，主要原因是這2個區域承受人體坐姿時髖部傳遞的絕大部分載荷。仿真分析結果表明，座椅的10號區域和11號區域的壓力峰值達到2.11 N/cm2，試驗測得的峰值壓力結果為1.88 N/cm2，一致性較好。該車型的壓力峰值目標為1.5 N/cm2，當前壓力峰值超出了舒適性目標，需要通過調整骨架內彈簧剛度、座墊和靠背發泡剛度等改善壓力分布的均勻性。

3 座椅靜態舒適性優化

3.1 優化目標

本文運用HyperStudy的優化工具，通過調整座椅設計參數（造型面、發泡硬度）平衡這兩項指標的性能，尋找最優的座椅設計參數。

其中，由于座墊是人體質量的主要承載體，同時考慮座椅結構的對稱性，故只選取座墊中間和側翼區域的發泡造型和發泡硬度作為設計變量。

約束條件包括H點位置與R點距離不超過5 mm，靠背角偏差不超過1°，優化目標是座墊壓力分布的峰值最小化。

3.2 優化試驗設計

按照田口方法的L9（4因素3水平）設計試驗設計（Design of Experiment，DOE）正交矩陣樣本（仿真分析）。提取每個樣本的分析結果，通過克里金（Kriging）方法構建結果響應面近似模型，通過方差分析獲得各變量的主效應圖和貢獻柱狀圖。借助HyperStudy工具中的自適應模擬退火算法在響應面上尋找最優解，最終獲得性能最優的產品設計參數。

3.3 優化結果應用與試驗驗證

實物零件的靜態舒適性試驗結果如圖16所示。試驗中H點位置偏差僅為3.71 mm（縱向偏差ΔX=-0.83 mm，垂向偏差ΔZ=3.62 mm），靠背角偏差為0.9°，滿足目標要求，壓力分布峰值從2.11 N/cm2降低到1.45 N/cm2，壓力分布均勻性明顯改善，達到預期目標。

4 結束語

本文采用有限元方法進行座椅靜態舒適性仿真分析，包含座椅發泡和面套的材料標定以及座椅靜態舒適性的兩個關鍵性能（H點位置預測和座墊壓力分布均勻性）的仿真，利用HyperStudy的優化工具提升某車型座椅靜態舒適性，仿真結果與試驗結果取得了良好的符合性，為座椅的造型設計和發泡工藝參數調整提供了參考。

參考文獻

[1] 馬佳， 范智聲， 阮瑩， 等. 汽車座椅舒適性研究綜述[J]. 上海汽車， 2008（1）： 24-27.MA J， FAN Z S， RUAN Y. General Research of Vehicle Seat Comfort[J]. Shanghai Automotive， 2008（1）： 24-27.

[2] 劉繼芳， 張蓓， 羅照成. 汽車座椅舒適性分析[J]. 企業科技與發展， 2014（15）： 38-39.LIU J F， ZHANG B， LUO Z C. Car Seat Comfort Research[J]. Enterprise Technology and Development， 2014（15）： 38-39.

[3] 何娟， 張學榮. 轎車座椅R點預測及體壓分布研究[J]. 重慶理工大學學報（自然科學）， 2017， 31（10）： 43-49.HE J， ZHANG X R. Research on R Point Forecast and Body Pressure Distribution of Car Seat[J]. Journal of Chongqing University of Technology， 2017， 31（10）： 43-49.

[4] 李金柱， 郭鵬程， 陳冀華， 等. 基于體壓分布的座椅舒適性建模及仿真[J]. 現代制造工程， 2018（3）： 79-85.LI J Z， GUO P C， CHEN J H. Modelling and Simulation of Seat Comfort Based on Body Pressure Distribution[J]. Modern Manufacturing Engineering. 2018（3）： 79-85.

[5] 唐天寶. 汽車座椅舒適性研究[J]. 企業技術開發， 2009， 28（9）： 49-51+66.TANG T B. The Research of Auto Seat Comfort. Technological Development of Enterprise[J]. 2009， 28（9）： 49-51+66.

[6] 張志飛， 袁瓊， 徐中明， 等. 基于體壓分布的汽車座椅舒適性研究[J]. 汽車工程， 2014， 36（11）： 1399-1404.ZHANG Z F， YUAN Q， XU Z M. A Study of Ride Comfort of Vehicle Seats Based on Body Pressure Distribution[J]. Automotive Engineering， 2014， 36（11）： 1399-1404.

[7] 王艷飛， 邢立峰， 黃玉強， 等. 基于人體17位壓力分布的汽車座椅靠背舒適性研究[J]. 汽車工程學報， 2020， 10（2）： 142-147.WANG Y F， XING L F， HUANG Y Q， et al. Research on Car Seat Comfort Based on Body Pressure Mapping Analysis of 17 Zones[J]. Chinese Journal of Automotive Engineering， 2020， 10（2）： 142-147.

（責任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2023年6月20日。