汽车座椅有限元建模与计算
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应用Ｐａｍ—ｃｒａｓｈ软件输入现有座椅泡沫材料， 进行正面模拟碰撞，得到乘员的３项伤害指标．然 后，用乘员的定位参数定义，在不改变乘员初始定位 Ｈ点坐标的前提下，改变座椅座垫泡沫的材料特 性，保持应变相同，分别将应力值增加至原来的２倍 或者减少至原来的１／２，再次进行模拟碰撞，得到乘 员的伤害指标与原来的数值进行比较．３种不同材 料对乘员的伤害指标的变化规律，见图１３～１５．
人体模型与座椅的接触采用“面对面”方式，即 利用软件提供的３３号ｓｕｒｆａｃｅ／ｓｕｒｆａｃｅ接触，对假人 臀部和座垫上表面之间的接触、假人背部和靠背内 侧表面之间的接触作定义．座椅泡沫自接触（ｓｅａｔ— ｓｅｌｆ）采用边缘处理自接触方式，即软件所提供的３６ 号（ｓｅｌｆ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｅｄｇｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）接触．
座椅有限元模型的建立原则为 （１）在保证计算目的和精度的条件下，适当简 化模型． （２）合理选择单元类型，减少输入数据量和计 算时间． （３）合理控制单元大小，相应分配模型单元数． １．１壳单元的选取
收稿日期：２００４—０７—２２
作者简介：王宏雁（１９６２一），女，黑龙江哈尔滨人，工学博士，副教授．Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｈｙ－ｓｏｓ＠ｒｉｐ．ｓｉｎａ．嗍
万方数据
第７期
王宏雁，等：汽车座椅有限元建模与计算
９４９
图３座椅骨架 Ｆｉｇ．３ Ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｔ
公用节点
图４座垫外包壳单元
Ｆｉｇ．４
Ｓｈｅｌｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｗｒａｐｐｅｄ ｔｈｅ ｃｍｈｉｏｎ
图５座垫泡沫体单元 Ｆｉｇ．Ｓ Ｆｏａｍ ｓｏｌｉｄ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ
座椅骨架部分构件是通过焊接装配的，这就涉 及到零件焊接工艺的模拟．目前，在有限元计算中对 焊接的模拟主要有杆单元连接法、公用单元法和公
用节点法等３种比较成熟的方法，如图６～８所示． 公用节点法是一种比较简单的焊接模拟方法，
即在焊点位置将所对应的２个零件的单元节点连接 起来，两单元公用同一节点，从而模拟焊点的连接功 能．杆单元连接法是指在焊点位置采用一无质量的
本课题选用了ＰＡＭ．ＣＲＡＳＨ软件进行模拟碰 撞分析，所以在它的前处理软件中建立座椅的计算
厂方提供了座椅的加载与变形试验曲线，因此， 模型静态计算验证实际就是利用软件进行加载与变
模型． １．５．１材料参数选择
座垫泡沫选用２１号材料（ｅｌａｓｔｉｃ ｆｏａｍ ｗｉｔｈ ｈｙｓ． ｔｅｒｅｓｉｓ）；座椅外包层选用１０３号材料（ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｅｌａｓ． ｔｉｃｐｌａｓｔｉｃ）；座椅骨架壳单元采用１００号材料（ｎｕｌｌ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｓｈｅｌｌ ｅｌｅｍｅｎｔ），具体参数参考国外公司
万方数据
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同济大学学报（自然科学ｒａ）
第３２卷
壳单元的选取应从精度、效率以及对几何型面 进行离散化时的方便性和准确性加以考虑．ＨＹ— ＰＥＲＭＥＳＨ软件提供了１０３，１０４，１０６，１０８号等多种 壳单元类型，座椅骨架有限元模型通常采用三角形 （１０３号）和四边形（１０４号）壳单元．
从几何模拟角度看，采用三角形单元进行空间 型面离散化，较为灵活、方便、准确，尤其易于逼近复 杂的过渡面，在许多ＣＡＤ／ＣＡＭ软件中常常采用三 角形单元，用作基本的离散化单元，但在有限元分析 中，三角形单元的计算精度和准确度较２［２］．
四边形单元具有较高的精度和准确度，可以有 效保证座椅有限元模拟计算与实车碰撞结果的一致 性，但四边形单元的计算效率比较低，需要较长机时 才能完成模拟计算．
建立座椅有限元模型时，尽量采用了四边形单 元，尤其是对于座垫、靠背、底座骨架等关键受力部 位，全部采用四边形单元划分网格；个别尺寸、形状 变化较大的区域，如座椅侧两表面相交处，采用了少 量三角形单元．三角单元的比例控制在占总单元数 的１０％以下（如图１）． １．２体单元的选取
提供的数据． １．５．２接触定义
由度，以模拟实际焊点的焊接功能，并且还可以定义 杆单元承受的轴向力极限和剪切力极限，当超过极 限力时，杆单元的约束功能消失，从而模拟焊点失 效．公用单元法则可以单独定义公用单元的材料特 性，以模拟实际焊接处的金属材料特性，同时也可定 义相应的焊接失效条件，因此，这种方法可以对焊点 实现精确的模拟，但是工作量十分巨大，不仅需要对 焊点作专门的材料试验，而且在有限元网格处理方 面也具有一定的难度．比较３种焊接模拟方法，公用
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ，Ｔｏｎｇｉｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ．ａｉｄｅｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃａｒ ｓｅａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ“ｓｈｅｌｌ ａｎｄ ｓｏｌｉｄ
第３２卷第７期 ２００４年７月
同济大学学报（自然科学版） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＯＮＧＪＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ）
Ｖ０１．３２ Ｎｏ．７ Ｊｕｌ．２００４
汽车座椅有限元建模与计算
王宏雁，张丹
（同济大学汽车学院，上海２０００９２）
摘要：采用“壳一体单元相结合”的方法建立座椅计算机辅助分析（ＣＡＥ）模型．利用Ａｎｓｙｓ软件计算了座垫弹性，与 座椅试验的力一变形曲线对比，以验证建模与材料定义的正确性．另外还利用正面模拟碰撞中乘员的运动响应，分 析了座椅材料的软硬程度对乘员伤害指标的影响．
１座椅模型的建立
在整个有限元求解过程中最重要的环节是有限 元前处理模型的建立．这一般包括几何模型、网格划
分、添加约束与载荷以及定义材料等．它直接影响着 碰撞仿真的计算精度和效率．
建模的基本原则是准确性，为了保证计算精度， 模型必须能够如实反映座椅的几何特性和力学特 性．为了提高模拟计算的效率，在建模时还必须考虑 单元类型、数量和质量等因素．
ｔｈｅ ｃｕｓｈｉｏｎ
公用单元
图６公用节点法
Ｆｉｇ．６ Ｐｕｂｌｉｃ ｎｏｄｅｓ ｍｅｔｈｏｄ
图７杆单元连接法
ｍｅｔｈｏｄ Ｆｉｇ．７ Ｂａｒ－ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ
图８公用单元法 ｒｉｇ．８ Ｐｕｂｌｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｍｅｔｈｏｄ
刚性杆单元将对应位置的２个节点连接起来．刚性 的杆单元约束住所连接的节点，使其具有相同的自
ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ”．ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｏｆ ｓｅａｔ ｗｉｔｈ Ａｎｓｙｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ“ｆｏｒｃｅ—ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ’’
ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｓｅａｔ ｔｅｓｔ，ｗｅ ｅｘａｍｉｎｅ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｅａｔ ｓｏｆｔｎｅｓｓ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｊｕｒｙ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ ｉｎ ｆｒｏｎｔａｌ ｃｒａｓｈ ｉｓ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｒ ｓｅａｔ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ；ｍｏｄｅｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
汽车座椅不仅要能够支撑乘员身体的重量，减 轻乘员的疲劳以满足主动安全性要求，还要求能与 安全带和安全气囊匹配，对乘员定位，缓解碰撞的强 度，使乘员的损伤指标达到最小，以满足被动安全性 要求…１．在汽车碰撞安全性模拟分析过程中，乘员 约束系统的作用不可忽视，所以作为系统因素之一 的汽车座椅的建模方法以及它对碰撞模拟分析精度 的影响值得探讨．
ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ软件提供了２０４，２０６，２０８，２１０，
２１５，２２０等多种体单元类型，根据国外体单元建模 经验与笔者的研究结果，座垫、靠背和头枕泡沫的建 模选用六面体单元（２０８号），质量较四面体单元好， 而且计算速度快（如图２）．
图１骨架底板ＣＡＥ模型
Ｆｉｇ．１ ＣＡＥ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｐｌａｔｅ
３座椅材料的软硬程度对碰撞安全性 分析的影响
如前所述，在座椅的计算模型建立过程中，座椅 材料的定义由于没有试验条件，所以参考了国外汽
车公司的试验和经验数据，静态计算结果也表明，所 定义的材料偏软．因此必须对材料参数是否会影响 最终的整车乘员约束系统的运动响应模拟分析精 度【３ Ｊ进行研究．笔者通过对比不同的座垫泡沫材料 在碰撞时对乘员造成的伤害指标，来验证座垫泡沫 材料ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ义的可靠性．根据国家标准，选取假人头部伤 害指标Ｉｒｎｃ值、胸部综合加速度口３。、大腿轴向受力 Ｆ等３项伤害指标作为评价标准．
关键词：汽车座椅；有限元；建模；计算
中图分类号：Ｕ ２７０．２
文献标识码：Ａ
文章编号：０２５３—３７４Ｘ（２００４）０７—０９４７一０５
Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｅａｔｓ
ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ－ｙａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｄａｎ
图９座椅有限元模型 Ｆｉｇ．９ ＦＥＭ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｔ
图１０ Ａｎｓｙｓ中的座椅泡沫
№．１０ Ｆｏａｍ ｎｍｔｅｔｉａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｔ ｉｎ Ａｎｓｙｓ
图１１座椅加载位置
Ｆｉｇ．１１ Ｌｏａｄ ｐｏｓｉｔｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｓｈｉｏｎ
№．１２
图１２计算结果与试验曲线对比 Ｃｕｒｖｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ
形的模拟，考察计算数据是否与实际试验结果相符． 本课题采用了Ａｎｓｙｓ软件．对单元进行定义，包
括单元类型、实常数、材料特性等．其中骨架和外包 壳单元选用Ｓｈｅｌｌ ６３号单元，泡沫体单元选用Ｓｏｌｉｄ ４５号单元，见图１０．
根据座椅通常受力情况，对座垫内固定区域加
万方数据
同济大学学报（自然科学版）
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Ｏ
Ｏ
Ｏ
０
Ｏ
０
＾？∞．ｇ一＼ｑ
Ｏ
弘弛勰Ｍ加Ｍ坦０Ｏ
４Ｏ
Ｏ
图１４口３。值及加速度曲线 Ｈｇ．１４ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ口３∞ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ
图１５腿部受力曲线 Ｆｉｇ．１５ Ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌｅｇ
２∞ Ｏ∞ ８∞ ６∞ 一，∞．吕）／ｑ ４∞ ２∞
Ｏ
Ｏ．０１５ ０．０３０ ０．０４５ ０．０６０
０．０７５ ０．０９０ ｔ／ｓ
０．１０５
０．１２０ ０．１３５ ０．１５０
图１３ ＩＩ舵值及加速度曲线 Ｆｉｇ．１３ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ Ｉｍｃ ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ
万方数据
第７期
王宏雁，等：汽车座椅有限元建模与计算
第３２卷
载，见图１１，每个节点受力均匀．加载节点数为１３２； 面积为４００ ｍｍＸ４００ ｍｍ；载荷以５０ Ｎ为步长，从 １０ Ｎ依次增加至６５０ Ｎ，每次加载位置不变．
对比计算与试验结果可知：模拟计算结果与试
验曲线总的走势基本相符．但在同一载荷作用下，模 拟计算的座椅泡沫变形量比真实座椅产生的变形要 大一些．在载荷为６００ Ｎ时，最大相对误差为２９．８％ （见图１２）．说明模型对座垫泡沫材料的定义偏软．
２座椅有限元模型的验证
单元法虽然最精确，但工作量过于巨大，而且相应的 试验会大大增加研究的时间和费用，对本课题而言 不适合；公用节点法精度次之，相对也较为简单，零 件模型之间吻合精度较高，因公用节点产生的单元 翘曲问题比较少，所以在座椅各部分连接时选用了 这种方法． １．５计算模型的定义
通过网格划分和结构连接，将整个座椅离散为 ４ ０７９个壳单元，２ ９５５个体单元，建立了完善的座 椅Ｑ嗵模型（见图９）．由于座椅ＣＡＥ模型是经一 些简化后得到的，简化过程是否合理，各部分连接是 否恰当，尤其是材料的定义是否准确，直接关系到后 期碰撞模拟的真实性和可靠性．所以，必须对座椅 ＣＡＥ模型进行静态计算验证．
图２座椅头枕ＣＡＥ模型 Ｆｉｇ．２ ＣＡＥ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｈｅａｄｒｅｓｔ １．３单元质量的控制 根据经验和计算精度的要求，确定控制单元质 量原则，见表１．
表１单元质量原则 Ｔａｂ．１ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｅｌｅｍｅｎｔ ｑｕａｌｉｔｙ
座椅有限元模型如图３～５所示． １．４模型各部分的连接
人体模型与座椅的接触采用“面对面”方式，即 利用软件提供的３３号ｓｕｒｆａｃｅ／ｓｕｒｆａｃｅ接触，对假人 臀部和座垫上表面之间的接触、假人背部和靠背内 侧表面之间的接触作定义．座椅泡沫自接触（ｓｅａｔ— ｓｅｌｆ）采用边缘处理自接触方式，即软件所提供的３６ 号（ｓｅｌｆ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｅｄｇｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）接触．
座椅有限元模型的建立原则为 （１）在保证计算目的和精度的条件下，适当简 化模型． （２）合理选择单元类型，减少输入数据量和计 算时间． （３）合理控制单元大小，相应分配模型单元数． １．１壳单元的选取
收稿日期：２００４—０７—２２
作者简介：王宏雁（１９６２一），女，黑龙江哈尔滨人，工学博士，副教授．Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｈｙ－ｓｏｓ＠ｒｉｐ．ｓｉｎａ．嗍
万方数据
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９４９
图３座椅骨架 Ｆｉｇ．３ Ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｔ
公用节点
图４座垫外包壳单元
Ｆｉｇ．４
Ｓｈｅｌｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｗｒａｐｐｅｄ ｔｈｅ ｃｍｈｉｏｎ
图５座垫泡沫体单元 Ｆｉｇ．Ｓ Ｆｏａｍ ｓｏｌｉｄ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ
座椅骨架部分构件是通过焊接装配的，这就涉 及到零件焊接工艺的模拟．目前，在有限元计算中对 焊接的模拟主要有杆单元连接法、公用单元法和公
用节点法等３种比较成熟的方法，如图６～８所示． 公用节点法是一种比较简单的焊接模拟方法，
即在焊点位置将所对应的２个零件的单元节点连接 起来，两单元公用同一节点，从而模拟焊点的连接功 能．杆单元连接法是指在焊点位置采用一无质量的
本课题选用了ＰＡＭ．ＣＲＡＳＨ软件进行模拟碰 撞分析，所以在它的前处理软件中建立座椅的计算
厂方提供了座椅的加载与变形试验曲线，因此， 模型静态计算验证实际就是利用软件进行加载与变
模型． １．５．１材料参数选择
座垫泡沫选用２１号材料（ｅｌａｓｔｉｃ ｆｏａｍ ｗｉｔｈ ｈｙｓ． ｔｅｒｅｓｉｓ）；座椅外包层选用１０３号材料（ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｅｌａｓ． ｔｉｃｐｌａｓｔｉｃ）；座椅骨架壳单元采用１００号材料（ｎｕｌｌ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｓｈｅｌｌ ｅｌｅｍｅｎｔ），具体参数参考国外公司
万方数据
９４８
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第３２卷
壳单元的选取应从精度、效率以及对几何型面 进行离散化时的方便性和准确性加以考虑．ＨＹ— ＰＥＲＭＥＳＨ软件提供了１０３，１０４，１０６，１０８号等多种 壳单元类型，座椅骨架有限元模型通常采用三角形 （１０３号）和四边形（１０４号）壳单元．
从几何模拟角度看，采用三角形单元进行空间 型面离散化，较为灵活、方便、准确，尤其易于逼近复 杂的过渡面，在许多ＣＡＤ／ＣＡＭ软件中常常采用三 角形单元，用作基本的离散化单元，但在有限元分析 中，三角形单元的计算精度和准确度较２［２］．
四边形单元具有较高的精度和准确度，可以有 效保证座椅有限元模拟计算与实车碰撞结果的一致 性，但四边形单元的计算效率比较低，需要较长机时 才能完成模拟计算．
建立座椅有限元模型时，尽量采用了四边形单 元，尤其是对于座垫、靠背、底座骨架等关键受力部 位，全部采用四边形单元划分网格；个别尺寸、形状 变化较大的区域，如座椅侧两表面相交处，采用了少 量三角形单元．三角单元的比例控制在占总单元数 的１０％以下（如图１）． １．２体单元的选取
提供的数据． １．５．２接触定义
由度，以模拟实际焊点的焊接功能，并且还可以定义 杆单元承受的轴向力极限和剪切力极限，当超过极 限力时，杆单元的约束功能消失，从而模拟焊点失 效．公用单元法则可以单独定义公用单元的材料特 性，以模拟实际焊接处的金属材料特性，同时也可定 义相应的焊接失效条件，因此，这种方法可以对焊点 实现精确的模拟，但是工作量十分巨大，不仅需要对 焊点作专门的材料试验，而且在有限元网格处理方 面也具有一定的难度．比较３种焊接模拟方法，公用
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ，Ｔｏｎｇｉｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ．ａｉｄｅｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃａｒ ｓｅａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ“ｓｈｅｌｌ ａｎｄ ｓｏｌｉｄ
第３２卷第７期 ２００４年７月
同济大学学报（自然科学版） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＯＮＧＪＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ）
Ｖ０１．３２ Ｎｏ．７ Ｊｕｌ．２００４
汽车座椅有限元建模与计算
王宏雁，张丹
（同济大学汽车学院，上海２０００９２）
摘要：采用“壳一体单元相结合”的方法建立座椅计算机辅助分析（ＣＡＥ）模型．利用Ａｎｓｙｓ软件计算了座垫弹性，与 座椅试验的力一变形曲线对比，以验证建模与材料定义的正确性．另外还利用正面模拟碰撞中乘员的运动响应，分 析了座椅材料的软硬程度对乘员伤害指标的影响．
１座椅模型的建立
在整个有限元求解过程中最重要的环节是有限 元前处理模型的建立．这一般包括几何模型、网格划
分、添加约束与载荷以及定义材料等．它直接影响着 碰撞仿真的计算精度和效率．
建模的基本原则是准确性，为了保证计算精度， 模型必须能够如实反映座椅的几何特性和力学特 性．为了提高模拟计算的效率，在建模时还必须考虑 单元类型、数量和质量等因素．
ｔｈｅ ｃｕｓｈｉｏｎ
公用单元
图６公用节点法
Ｆｉｇ．６ Ｐｕｂｌｉｃ ｎｏｄｅｓ ｍｅｔｈｏｄ
图７杆单元连接法
ｍｅｔｈｏｄ Ｆｉｇ．７ Ｂａｒ－ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ
图８公用单元法 ｒｉｇ．８ Ｐｕｂｌｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｍｅｔｈｏｄ
刚性杆单元将对应位置的２个节点连接起来．刚性 的杆单元约束住所连接的节点，使其具有相同的自
ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ”．ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｏｆ ｓｅａｔ ｗｉｔｈ Ａｎｓｙｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ“ｆｏｒｃｅ—ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ’’
ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｓｅａｔ ｔｅｓｔ，ｗｅ ｅｘａｍｉｎｅ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｅａｔ ｓｏｆｔｎｅｓｓ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｊｕｒｙ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ ｉｎ ｆｒｏｎｔａｌ ｃｒａｓｈ ｉｓ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｒ ｓｅａｔ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ；ｍｏｄｅｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
汽车座椅不仅要能够支撑乘员身体的重量，减 轻乘员的疲劳以满足主动安全性要求，还要求能与 安全带和安全气囊匹配，对乘员定位，缓解碰撞的强 度，使乘员的损伤指标达到最小，以满足被动安全性 要求…１．在汽车碰撞安全性模拟分析过程中，乘员 约束系统的作用不可忽视，所以作为系统因素之一 的汽车座椅的建模方法以及它对碰撞模拟分析精度 的影响值得探讨．
ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ软件提供了２０４，２０６，２０８，２１０，
２１５，２２０等多种体单元类型，根据国外体单元建模 经验与笔者的研究结果，座垫、靠背和头枕泡沫的建 模选用六面体单元（２０８号），质量较四面体单元好， 而且计算速度快（如图２）．
图１骨架底板ＣＡＥ模型
Ｆｉｇ．１ ＣＡＥ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｐｌａｔｅ
３座椅材料的软硬程度对碰撞安全性 分析的影响
如前所述，在座椅的计算模型建立过程中，座椅 材料的定义由于没有试验条件，所以参考了国外汽
车公司的试验和经验数据，静态计算结果也表明，所 定义的材料偏软．因此必须对材料参数是否会影响 最终的整车乘员约束系统的运动响应模拟分析精 度【３ Ｊ进行研究．笔者通过对比不同的座垫泡沫材料 在碰撞时对乘员造成的伤害指标，来验证座垫泡沫 材料ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ义的可靠性．根据国家标准，选取假人头部伤 害指标Ｉｒｎｃ值、胸部综合加速度口３。、大腿轴向受力 Ｆ等３项伤害指标作为评价标准．
关键词：汽车座椅；有限元；建模；计算
中图分类号：Ｕ ２７０．２
文献标识码：Ａ
文章编号：０２５３—３７４Ｘ（２００４）０７—０９４７一０５
Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｅａｔｓ
ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ－ｙａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｄａｎ
图９座椅有限元模型 Ｆｉｇ．９ ＦＥＭ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｔ
图１０ Ａｎｓｙｓ中的座椅泡沫
№．１０ Ｆｏａｍ ｎｍｔｅｔｉａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｔ ｉｎ Ａｎｓｙｓ
图１１座椅加载位置
Ｆｉｇ．１１ Ｌｏａｄ ｐｏｓｉｔｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｓｈｉｏｎ
№．１２
图１２计算结果与试验曲线对比 Ｃｕｒｖｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ
形的模拟，考察计算数据是否与实际试验结果相符． 本课题采用了Ａｎｓｙｓ软件．对单元进行定义，包
括单元类型、实常数、材料特性等．其中骨架和外包 壳单元选用Ｓｈｅｌｌ ６３号单元，泡沫体单元选用Ｓｏｌｉｄ ４５号单元，见图１０．
根据座椅通常受力情况，对座垫内固定区域加
万方数据
同济大学学报（自然科学版）
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＾？∞．ｇ一＼ｑ
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弘弛勰Ｍ加Ｍ坦０Ｏ
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图１４口３。值及加速度曲线 Ｈｇ．１４ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ口３∞ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ
图１５腿部受力曲线 Ｆｉｇ．１５ Ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌｅｇ
２∞ Ｏ∞ ８∞ ６∞ 一，∞．吕）／ｑ ４∞ ２∞
Ｏ
Ｏ．０１５ ０．０３０ ０．０４５ ０．０６０
０．０７５ ０．０９０ ｔ／ｓ
０．１０５
０．１２０ ０．１３５ ０．１５０
图１３ ＩＩ舵值及加速度曲线 Ｆｉｇ．１３ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ Ｉｍｃ ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ
万方数据
第７期
王宏雁，等：汽车座椅有限元建模与计算
第３２卷
载，见图１１，每个节点受力均匀．加载节点数为１３２； 面积为４００ ｍｍＸ４００ ｍｍ；载荷以５０ Ｎ为步长，从 １０ Ｎ依次增加至６５０ Ｎ，每次加载位置不变．
对比计算与试验结果可知：模拟计算结果与试
验曲线总的走势基本相符．但在同一载荷作用下，模 拟计算的座椅泡沫变形量比真实座椅产生的变形要 大一些．在载荷为６００ Ｎ时，最大相对误差为２９．８％ （见图１２）．说明模型对座垫泡沫材料的定义偏软．
２座椅有限元模型的验证
单元法虽然最精确，但工作量过于巨大，而且相应的 试验会大大增加研究的时间和费用，对本课题而言 不适合；公用节点法精度次之，相对也较为简单，零 件模型之间吻合精度较高，因公用节点产生的单元 翘曲问题比较少，所以在座椅各部分连接时选用了 这种方法． １．５计算模型的定义
通过网格划分和结构连接，将整个座椅离散为 ４ ０７９个壳单元，２ ９５５个体单元，建立了完善的座 椅Ｑ嗵模型（见图９）．由于座椅ＣＡＥ模型是经一 些简化后得到的，简化过程是否合理，各部分连接是 否恰当，尤其是材料的定义是否准确，直接关系到后 期碰撞模拟的真实性和可靠性．所以，必须对座椅 ＣＡＥ模型进行静态计算验证．
图２座椅头枕ＣＡＥ模型 Ｆｉｇ．２ ＣＡＥ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｈｅａｄｒｅｓｔ １．３单元质量的控制 根据经验和计算精度的要求，确定控制单元质 量原则，见表１．
表１单元质量原则 Ｔａｂ．１ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｅｌｅｍｅｎｔ ｑｕａｌｉｔｙ
座椅有限元模型如图３～５所示． １．４模型各部分的连接