考虑发泡预压变形的汽车座椅通风仿真研究.pdf

IM汽车行业140 2023年增刊考虑发泡预压变形的汽车座椅通风仿真 研究刘高君 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 201315；2.迅仿科技（上海）有限公司，上海 201821）摘要：汽车座椅通风设计会使用计算流体动力学 CFD 仿真优化风扇特性和内部管道形状，但几乎都没有考虑人体重量和坐姿引起发泡变形对座椅通风的影响。本文利用 Cradle CFD 软件，在准确模拟不同转速风扇 P-Q（流量与压力）特性下，开展了座椅设计状态的通风仿真与对标验证 CFD 模拟的合理性，靠背和座垫的通风循环总量最大误差为 3.2%。引入 HPM假人模型，分析在发泡预压下座椅风道的变形及其对通风总量的影响，仿真结果表明靠背和座垫的最大通风衰减率达到10%和 49.1%。通过调整假人体型及对应部位重量，深入研究座椅通风总量与体型差异的相关性，为风扇特性选择提供支持，也为座椅通风设计的鲁棒性开发提供虚拟仿真评估手段。关键词：座椅通风；CFD 仿真；发泡预压变形；通风总量1引言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 Cradle CFD 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。汽车行业IM投稿网站： 2023年增刊 1412座椅通风建模与仿真标定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。Cradle CFD 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。图 1座椅通风结构剖面图2.1风扇单体的流量与压力 P-Q 仿真标定创建包围风扇叶轮的旋转体作为移动对象，把风扇转速给到旋转体并设定移动对象的旋转中心及旋转方向，采用不连续网格功能连接动、静区域，将叶轮旋转造成的影响给到固定区域，完成座椅通风动力循环，如图 2 所示。图 2风扇 CFD 模型处理提取座椅风扇单体，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。图 3风扇 P-Q 标定2.2座椅通风仿真模拟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 2.810-5m。图 4座椅通风 CFD 模型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 1 900r/min、2 825r/min 和 4 140r/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IM汽车行业142 2023年增刊试验的最大误差为 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。表 1座椅通风仿真和试验对比转速/（r/min）1 9002 8254 140靠背通风 仿真/（L/min）154.2240.5367.2试验/（L/min）155.4238.2359.9误差（%）0.80.92.0座垫通风仿真/（L/min）157.9242.9358.7试验/（L/min）156.4235.4359.5误差（%）1.03.20.23发泡预压变形对座椅通风的影响研究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。3.1假人预压发泡变形模拟引入 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 5HPM 假人模型和预压仿真图 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。图 6靠背发泡管道预压变形图 7座垫发泡管道预压变形3.2发泡预压变形的通风仿真分析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。图 8考虑发泡预压的通风仿真模型汽车行业IM投稿网站： 2023年增刊 143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 1 900r/min、2 825r/min 和 4 140r/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。表 2考虑发泡预变形的座椅通风仿真和试验对比转速/（r/min）1 9002 8254 140靠背通风 仿真/（L/min）140.8218.7330.4试验/（L/min）132.2208.2320.9误差（%）6.55.12.9座垫通风仿真/（L/min）81.0123.7184.9试验/（L/min）75.8115.2192.3误差（%）6.87.43.9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。表 3假人预压前后座椅通风量对比转速/（r/min）1 9002 8254 140靠背通风 无预压/（L/min）154.2240.5367.2假人预压/（L/min）140.8218.7330.4风量衰减（%）8.79.110座垫通风无预压/（L/min）157.9242.9358.7假人预压/（L/min）81.0123.7184.9风量衰减（%）48.749.148.5以风扇转速为 2 825r/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。图 9靠背发泡管道的表面压力云图图 10座垫发泡管道的表面压力云图4假人体型及重量对座椅通风的影响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 假人对背部和臀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。IM汽车行业144 2023年增刊图 11三种假人背部和臀部尺寸表 4假人体型及重量组合各部位砝码重量/kg假人体型（%）H 点坐盆前端靠背base341020100case135.0210.31990case235.029.520.690case332.310.320.690case432.39.51990case532.310.319110case635.029.519110case732.39.520.6110case835.0210.320.6110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 187.8 L/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。图 12不同参数组合的通风总量对比5结论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）引入 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，由于假人背部和臀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关注对象。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。参考文献1 马佳，范智声，阮莹，等汽车座椅舒适性研究综 述 J上海汽车，2008(1)：24-272 夏攀，樊敏峰，黄焕丽汽车座椅技术及发展 J汽车实用技术，2020(14)：43-44，723 徐浩 汽车座椅的功能及其发展趋势J 汽车实用技术，2022，47(17)：196-1994 朱小丽，王跃贞，徐凯，等汽车座椅通风功能应用浅谈 J汽车实用技术，2015，29(9)：84-865 王巍，朱曾坤汽车座椅通风系统探析 J时代农机，2018，45(3)：58-596 霍成鹏，张鑫汽车座椅通风系统设计 J汽车实用技术，2020，32(13)：103-105