基于VSS软件的汽车座椅舒适性仿真分析

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，使其能够准确模拟座椅的 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，以满足未来技术发展的需求。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。