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随着汽车自动驾驶的发展,汽车的产品定位正由简单的出行工具延伸为以人车交互体验为核心的移动第三空间,座椅作为移动第三空间的重要组成,在朝着智能化前行的同时也向着更加良好的舒适性体验[1-2]发展｡座椅舒适性不仅为乘坐舒适性,也包括通风和加热舒适性等范畴[3-4]｡座椅加热是通过座椅内部布置加热垫来实现,技术实现容易且成本低,在2022年新增乘用车座椅加热的装配率仅为8.2%｡但是座椅通风需要通过发泡和面套的特殊结构设计来满足通风要求,比如面套需要打孔实现透气性,发泡需要造型改造来预留空间放置风扇及增加通风道设计等[5],同时还不能降低座椅的其它性能,对座椅结构的重新设计及验证造成不少挑战和成本增加,2022年新增乘用车座椅通风的装配率仅为2.6%｡
座椅通风分为吹风和吸风两种模式,采用风扇向座椅发泡内流道注入空气,或者将座椅蒙皮表面的风吸入座椅中,空气通过座椅表面上的真皮(打孔)或者织物流进或流出[6],有效改善人体与座椅表面接触部分的空气流通,让身体与座椅的接触面保持干爽舒适,改善臀部与后背积汗情况｡本文利用CradleCFD软件开展座椅通风仿真研究,首先开展了座椅设计状态的通风仿真及对标,验证CFD模拟的合理性及精度｡引入HPM假人模型,开展考虑假人预压下引起的发泡风道变形对通风特性的影响,兼顾假人体型及对应部位重量,分析座椅通风总量与人体参数差异的影响,为座椅通风设计的鲁棒性开发提供仿真评估手段｡
以某款汽车座椅为研究对象,通风系统由座椅风扇､座椅A面发泡､座椅B面发泡､座椅风道和毛毡构成,如图1所示｡座椅通风的动力循环主要靠集成在靠背和座垫内的风扇,通风仿真精度很大程度上依赖于风扇模拟准确性｡
CradleCFD软件中scFLOW模块采用任意拉格朗日-欧拉法(ALE)模拟运动物体周围的流动｡在移动区域,将移动条件(平移或者旋转)应用于包含对象的体积区域来表示移动对象,通过为移动和静态区域选择和设置连接方法来完成动､静区域的连接,将网格移动引起的影响添加到固定坐标系的方程中,实现固定坐标系和移动坐标系的同时计算｡动､静区域连接方式包括拉伸网格､重叠网格及不连续网格三种,其中不连续网格功能,多用于处理旋转对象,非常适用于风扇CFD仿真｡
以某款汽车座椅为研究对象,通风系统由座椅风扇､座椅A面发泡､座椅B面发泡､座椅风道和毛毡构成,如图1所示｡座椅通风的动力循环主要靠集成在靠背和座垫内的风扇,通风仿真精度很大程度上依赖于风扇模拟准确性｡
CradleCFD软件中scFLOW模块采用任意拉格朗日-欧拉法(ALE)模拟运动物体周围的流动｡在移动区域,将移动条件(平移或者旋转)应用于包含对象的体积区域来表示移动对象,通过为移动和静态区域选择和设置连接方法来完成动､静区域的连接,将网格移动引起的影响添加到固定坐标系的方程中,实现固定坐标系和移动坐标系的同时计算｡动､静区域连接方式包括拉伸网格､重叠网格及不连续网格三种,其中不连续网格功能,多用于处理旋转对象,非常适用于风扇CFD仿真｡
提取座椅风扇单体,建立CFD仿真模型,测定不同流量下风扇出风口静压力情况,获得风扇的流量与压力P-Q特性曲线｡根据座椅通风试验所用风扇转速情况,选取40%､60%和90%三个档位进行风扇P-Q性能模拟及标定,如图3所示,试验曲线由厂家直接提供｡CFD仿真的P-Q特性与试验的变化趋势一致,在低档位时曲线基本吻合,90%高档位的大多数测点也完全吻合｡总体来看,风扇P-Q仿真标定结果可以接受,能够用于座椅通风的CFD分析｡
基于座椅通风试验台架测试条件,开展了座椅在设计状态下(发泡无变形)通风模拟,图4为座椅靠背和座垫的通风仿真模型,CFD仿真中不包括座椅骨架,只包含了风扇､发泡及毛毡等,在靠背前后两侧及座垫的上下两侧分别建立了通风静压腔,设置出口和入口边界条件｡入口设置为静压入口,压力为0;出口为自由流出口｡封闭毛毡具有一定的透气性,采用颗粒性多孔介质等效,经过前期试验标定获得毛毡孔隙率为0.8,多孔介质颗粒直径为2.8×10-5m｡
座椅通风试验测试了风扇在三组不同转速的通风性能,转速分别为1900r/min､2825r/min和4140r/min｡三种转速下入口处通风循环总量的仿真结果与试验测定值的对比见表1｡座椅靠背入口通风循环总量仿真结果与试验的最大误差为2%,座垫通风仿真最大误差为3.2%,进一步表明风扇和座椅通风建模及仿真参数的合理性｡
实际座椅会受到人体载荷作用,风道会发生变形,通风设计也需要兼顾该因素的影响｡一方面可以筛选更加合理的风扇加强吹风效果,其次也可以优化发泡形状､骨架支撑结构或者风道路径来改善通风特性｡
引入HPM假人模型,由假背和假臀组成与座椅发泡的接触面,背部外表面积214.5mm2,臀部外表面积331.7mm2｡H点砝码重量为34kg,坐盆前端砝码为10kg,靠背处砝码为20kg,如图5所示｡调整假人坐姿于座椅上方,对HPM施加强制位移加载并对座椅发泡进行预压,使预压后假人模型H点坐标与设计H点一致,整个预压加载仿真通过LS-DYNA有限元分析完成｡预压稳定状态下提取发泡变形结构,尤其是发泡内部风道的变形,替换到CFD模型用于重构发泡内部通风管道,开展考虑发泡预压变形引起的通风效果研究｡
图6为座椅靠背在假人预压后的管道变形,座椅发泡管道中部凹陷,风扇出风口与发泡管道连接处发生轻微弯曲变形,造成局部阻力增加的风险｡图7为座垫发泡流道变形情况,发泡在骨架支撑下B面发泡流道变形不明显,A面发泡出风管道出现轻微弯曲变形｡
参考座椅通风仿真建模要求,建立考虑发泡预压变形后的座椅通风仿真模型,所有参数设置保持一致｡此外添加了HPM假人模型的背部和臀部部位,更加准确分析其阻挡对通风性能的影响,通风CFD仿真模型如图8所示｡
考虑发泡预变形的座椅通风试验也测试了风扇在三组不同转速的通风性能,转速分别为1900r/min､2825r/min和4140r/min｡三种转速下入口处通风循环总量的仿真结果与试验测定值的对比见表2｡座椅靠背入口通风循环总量仿真结果与试验的最大误差为6.5%,座垫通风仿真最大误差为7.4%,仿真结果相对合理｡
无假人预压及考虑假人预压引起发泡预变形情况下三组风扇转速的座椅靠背和座垫入口通风循环总量对比见表3｡尽管假人预压引起靠背中风扇出风口和连接管道有弯曲变形,但没有造成严重的风量衰减,靠背最大衰减率为10%,三种风扇转速下的平均风量衰减率仅为9.3%｡但是座垫的最大风量衰减率达到49.1%,平均衰减率高达48.8%,对座椅通风整体性能评估影响较大,通风管道设计及风扇功率选择需要重点兼顾假人预研对通风阻塞的影响｡
以风扇转速为2825r/min为研究对象,考察假人预压对通风的影响｡座椅靠背发泡管道表面压力云图如图9所示,由于假人预加载,风扇出口处发生发泡变形,导致风扇出风不顺畅,出风回流进入蜗壳,引起局部压力增大｡风道变形和假人背部的阻力作用,使得发泡管道左肩位置局部压力增压,但由于背部与发泡接触部位集中在肩部和中间位置,其引起的阻力对两侧出风口的流通影响相对有限｡座椅座垫发泡管道表面压力云图如图10所示,臀部对座垫两侧通风口没有明显的阻力效果,但是大腿部位及裆部会与座垫通风口直接接触,从而造成相对严重的阻塞,风量在此处会发生堆积现象,导致座垫发泡流道在大腿部分及裆部出现局部压力明显增大情况。
人体重量及体型不同,乘坐座椅时,发泡产生的变形及背部和臀部对通风产生的阻力不同,座椅通风也会受到不同程度的影响｡通过调整假背和假臀接触面积大小及各部分重量,通过仿真分析其对座椅通风性能的影响,为今后鲁棒性设计开发提供依据｡
基于原始HPM假人对背部和警部表面积分别增加和减少10%,获得三种体型假人模型,如图11所示调整各体型假人相应部位砝码重量,生成8组表面积和重量组合,分别开展考虑假人加载后发泡预变形的座椅通风仿真,见表4｡H点砝码基准重量34kg,上限为25.02kg,下限为32.3kg｡坐盆前段砝码基准重量10kg,上限10.3kg,下限为9.5kg｡靠背砝码基准重量20kg,上限为20.6kg,下限为19kg。
图12为不同参数组合下的座椅通风总量对比｡座椅靠背接触面积对通风性能的影响比靠背重量变化更加敏感｡随着假人接触面积增大,假人肩部与靠背接触位置上移,与发泡内风扇出口风位置错开,有利于通风｡同时接触面积增加相应发泡变形量会减少,体型越小引起发泡变形量大,局部位置对通风阻塞明显｡座垫仿真结果也与靠背结论一致,本次组合的性能都略优于基准方案,当然三个区域砝码重量对局部发泡变形有一定影响,从而影响通风效果｡靠背通风量的均值为187.8L/min,标准差为30.5L/min;座垫通风量的均值为164.9L/min,标准差为41.4L/min｡后续鲁棒性开发方面在稳定均值同时也要尝试降低标准差,减少座椅通风性能受人体体型和重量等因素的影响｡
1)利用 Cradle scFLOW 软件进行了风扇旋转运动的仿真及标定，同时开展了座椅设计状态的通风仿真分析与试验对标，座椅靠背和座垫的通风循环总量仿真误差小于 3.2%，验证了座椅通风仿真建模合理性。
2)引人 HPM 假人模型，开展了考虑假人加载下发泡风道变形对座椅通风性能的影响研究，由于假人背部和黔部对风道有一定阻塞效果，考虑发泡预变形下靠背和座垫的通风量衰减分别为 10% 和 49.1%，座垫的通风影响很大，是座椅通风设计重点对象
3)兼顾假人体型接触面积和各部分砝码重量变化分析这些影响因素与座椅通风的关联性。从分析结果看假人接触面积对座椅通风性能影响最大，其他重量也有一定程度影响，座椅通风设计需要兼顾这些人体参数波动，基于 Cradle 的座椅通风仿真为开发更具鲁棒性的通风性能提供了可靠的评估手段。
作者：刘高君1,王海华1,翟亚妨2,潘锋2（1.延锋国际汽车技术有限公司,上海2.迅仿科技(上海)有限公司,上海），文中观点仅供分享交流，不代表本立场。如涉及版权等问题，请您告知，我们将及时处理。
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