基于重力法的座椅体压分布有限元分析方法与流程

1.本发明属于汽车座椅cae技术领域，具体涉及一种基于重力法的座椅体压分布有限元分析方法。


背景技术：

2.汽车座椅是汽车中重要的零部件之一，在汽车人机工程学中，通过汽车座椅体压分布检测，研究影响体压分布的若干汽车座椅结构因素。在汽车座椅结构设计过程中，关注这些影响体压分布的设计要点，并通过优化结构使人与座椅接触界面的压力分布变化均匀平缓，从而提高乘坐舒适性。
3.目前座椅体压分布采用试验方法进行，结合试件来调整应力分布，试验成本高，整改周期较长。若能与有限元方法结合起来，通过分析静态体压分布的特征，以降低座椅试验成本及缩短整改周期，对于产品研发非常必要。但受限于目前有限元分析方法的局限性，分析结果与试验结果存在一定的差距，因此通常还是沿用传统的试验方法进行。


技术实现要素：

4.针对传统座椅体压分布试验成本高、周期长的缺陷，提出一种有限元方法对座椅性能体压分布进行预测，从而降低座椅试验成本，缩短开发周期，并且使有限元分析方法更真实可靠。
5.为此，本发明所采用的技术方案为：一种基于重力法的座椅体压分布有限元分析方法，包括以下步骤：
6.第一步，建立座椅整椅有限元模型；
7.首先结合座椅面套的造型数据，确定泡沫和吊紧线的工程数据；在建模时，除包括座椅骨架、塑料件、泡沫外，还包括面套、吊紧线，并保留泡沫与面套存在的初始穿透；座椅骨架、塑料件的网格大小为4～6mm，
8.第二步，形成泡沫与面套的预应力文件；面套、泡沫的网格大小为8～12mm，吊紧线作为面套的拉紧线，用1d弹簧单元模拟；
9.首先，分别在坐垫泡沫与坐垫面套之间，靠背泡沫与靠背面套之间建立用于消除初始穿透、模拟面套包裹泡沫状态的动态松弛接触，然后在载荷集中设置输出泡沫与面套的预应力文件，最后卡片设置启动动态松弛；
10.第三步，将第二步形成的预应力文件导入第一步建立的座椅整椅有限元模型中，替代原模型中的泡沫和面套，最终得到的座椅模型包含了带吊紧线的面套包裹泡沫的预应力，与实际乘员坐在座椅上时，泡沫和面套的状态更相符；
11.第四步，导入假人模型；
12.首先根据座椅r点位置，调整假人h点，根据脚跟点位置，调整假人脚的位置，然后将假人躯干角调为25.5～27.5
°
，用以模拟人靠上靠背，将假人的h点位置沿z正向和x负向调整，使得假人臀部和背部分别与座垫和靠背存在6～15mm的分离，确保假人在任何可能接
触部位，包括座椅头枕、靠背面套、坐垫面套，均不与座椅发生接触干涉；
13.第五步，假人定位；
14.综合考虑假人在坐下过程中，与座椅部件存在的接触，从而建立接触；其中，将假人与面套之间的接触，单独设置，并输出压力；
15.第六步，加载一个与z向成40～50
°
夹角的加速度，按开始3g加速度逐步调整至1g加速度曲线加载，用以模拟人坐上座椅的过程，卡片设置压力输出.intfor；
16.第七步，提交dyna计算；
17.第八步，读取计算结果，导出计算结果中的假人h点，根据h点结果与假人理论r点做比较，若坐标x、y、z坐标偏差控制在
±
10mm，则结果有效；若坐标误差不满足要求，则需调整设置加载加速度；
18.第九步，读取.intfor结果，查看压力分布；
19.第十步，通过最大压力、平均压力、接触面积、最大压力梯度，评价座椅的软硬程度、刚度和舒适性设计。
20.作为上述方案的优选，在第一步中，由于面套表现强烈的各向异性，需要采用各向异性的材料卡片模拟；座椅骨架、塑料件的网格大小为5mm，面套、泡沫的网格大小为10mm。
21.进一步优选为，在第四步中，导入的假人模型为hiii50型，假人模型可以根据情况选择合适的假人；调整假人位置，还包括假人脚部与踏板的接触，踏板为主面，脚部为从面；假人臀部和背部分别与座垫和靠背存在8mm的分离，假人躯干角调为27.5
°
，使得躯干角较理论躯干角大2.5
°
。
22.进一步优选为，在第五步中，假人位置及姿态为乘员理论位置及姿态，座椅泡沫为初始状态，所以假人与座椅为干涉状态，需要通过模拟实际乘员坐到座椅上的过程将座椅泡沫压陷至实际形状。
23.进一步优选为，在第六步中，加载的加速度方向与z向成45
°
夹角，用以模拟人朝座椅靠的过程。
24.进一步优选为，在第七步中，通过ls-dyna软件进行计算。
25.进一步优选为，在第八步中，通过hyperview软件实现。
26.本发明的有益效果：
27.(1)在建立座椅整椅的有限元模型时，通常只考虑座椅骨架、塑料件和泡沫，忽略了泡沫与面套存在的初始穿透，使最终得到的座椅模型与实际乘员坐在座椅上时的状态不符，有限元分析结果与实际测试结果不一致；
28.本发明在步骤一中建立有限元模型时，通过座椅面套的造型数据，来确定泡沫和吊紧线的工程数据，并在建模时加入了面套、吊紧线，以此保留泡沫与面套存在的初始穿透，因此，建模是该有限元分析方法的关键创新；
29.(2)在此基础上，增加步骤二，形成泡沫与面套的预应力文件，以便于在将第二步形成的预应力文件导入第一步建立的座椅整椅有限元模型中，替代原模型中的泡沫和面套，最终得到的座椅模型包含了带吊紧线的面套包裹泡沫的预应力，与实际乘员坐在座椅上时，泡沫和面套的状态更相符；
30.(3)通常假人躯干角定义均等于理论躯干角；本发明在步骤四中，将假人躯干角调为25.5～27.5，是为了更好的模拟人靠上靠背的过程；
31.(4)通常进行座椅的有限元模型分析时，在进行第五步的假人定位时，只考虑假人在坐下过程中，与座椅部件存在的接触；本发明在此步骤中，增加了“将假人与面套之间的接触，单独设置，并输出压力”，是为了在第九步得出最大压力、平均压力、接触面积、最大压力梯度，从而评价座椅的软硬程度、刚度和舒适性设计；
32.(5)在第六步中，通过加载一个与z向成40～50
°
夹角的加速度，用以模拟人坐上座椅的过程，而通常是加载一个与z向成90
°
夹角的加速度；采用一个与z向成40～50
°
夹角的加速度进行加载，更能真实模拟人坐上座椅的真实过程。
33.综上所述，本有限元分析方法，用于模拟分析显示碰撞的座椅体压分布，模拟过程简单，模拟结果更真实可靠，降低了座椅开发成本，缩短开发周期，是一种座椅研发过程中有效的舒适性前期验证手段。
附图说明
34.图1为泡沫与面套存在初始穿透的模拟图(图中亮白区域为干涉区)。
35.图2为假人定位完成后的模型示意。
36.图3为基于重力法的座椅变形图和结果曲线。
具体实施方式
37.下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
38.一种基于重力法的座椅体压分布有限元分析方法，包括以下步骤：
39.第一步，建立座椅整椅有限元模型。
40.首先结合座椅面套的造型数据，确定泡沫和吊紧线的工程数据；在建模时，除包括座椅骨架、塑料件、泡沫外，还包括面套、吊紧线，并保留泡沫与面套存在的初始穿透，如图1所示。座椅骨架、塑料件的网格大小为4～6mm，面套、泡沫的网格大小为8～12mm，吊紧线作为面套的拉紧线，用1d弹簧单元模拟；
41.在第一步中，由于面套表现强烈的各向异性，因此最好采用各向异性的材料卡片模拟；座椅骨架、塑料件的网格大小优选为5mm，面套、泡沫的网格大小优选为10mm。
42.第二步，形成泡沫与面套的预应力文件。
43.首先，分别在坐垫泡沫与坐垫面套之间，靠背泡沫与靠背面套之间建立用于消除初始穿透、模拟面套包裹泡沫状态的动态松弛接触，然后在载荷集中设置输出泡沫与面套的预应力文件，最后卡片设置启动动态松弛。
44.第三步，将第二步形成的预应力文件导入第一步建立的座椅整椅有限元模型中，替代原模型中的泡沫和面套，最终得到的座椅模型包含了带吊紧线的面套包裹泡沫的预应力，与实际乘员坐在座椅上时，泡沫和面套的状态更相符。
45.第四步，导入假人模型。
46.首先根据座椅r点(汽车的乘坐基准点)位置，调整假人h点(人体模型中躯干与大腿的连接点即胯点)，根据脚跟点位置，调整假人脚的位置，然后将假人躯干角调为25.5～27.5
°
，用以模拟人靠上靠背，将假人的h点位置沿z正向和x负向调整，使得假人臀部和背部分别与座垫和靠背存在6～15mm的分离，确保假人在任何可能接触部位，包括座椅头枕、靠背面套、坐垫面套，均不与座椅发生接触干涉。
47.导入的假人模型优选为hiii50型，但不限于此。调整假人位置，还包括假人脚部与踏板的接触，踏板为主面，脚部为从面；假人臀部和背部分别与座垫和靠背存在8mm的分离，将假人躯干角调为27.5
°
使得躯干角较理论躯干角大2.5
°
。
48.第五步，假人定位。
49.综合考虑假人在坐下过程中，与座椅部件存在的接触，从而建立接触；其中，将假人与面套之间的接触，单独设置，并输出压力。最好是，假人位置及姿态为乘员理论位置及姿态，座椅泡沫为初始状态，所以假人与座椅为干涉状态，需要通过模拟实际乘员坐到座椅上的过程将座椅泡沫压陷至实际形状，如图2所示。
50.第六步，加载一个与z向成40～50
°
夹角的加速度，按开始3g加速度逐步调整至1g加速度曲线加载，用以模拟人坐上座椅的过程，卡片设置压力输出.intfor。加载的加速度方向与z向优选成45
°
夹角，用以模拟人朝座椅靠的过程。
51.第七步，提交dyna计算；优选通过ls-dyna软件进行计算。
52.第八步，读取计算结果，导出计算结果中的假人h点，根据h点结果与假人理论r点做比较，若坐标x、y、z坐标偏差控制在
±
10mm，则结果有效；若坐标误差不满足要求，则需调整设置加载加速度。优选通过hyperview软件实现。
53.第九步，读取.intfor结果，查看压力分布；优选通过hyperview软件实现。
54.第十步，通过最大压力、平均压力、接触面积、最大压力梯度，评价座椅的软硬程度、刚度和舒适性设计，如图3所示。
55.最大压力：人体与坐垫接触面积中，所有压力测试点的最大值，体现坐垫的软硬程度，也能在测试过程中发现异常值点；
56.平均压力：人体与坐垫接触面上所有压力点的平均值，能够反映出坐垫的刚度特点，对于不同的材质，接触截止外形等有一定的体现；
57.接触面积：人体与坐垫接触有效面积之和，测试者确定的情况下，接触面积大小直接影响平均压力的幅值；
58.最大压力梯度：接触区域的压力梯度值大小能反映出压力分布过渡的缓慢与否，过渡较大的会形成肌肉刺激带来不舒适性感。