CN110390131A - 一种汽车座椅性能仿真模型的构建方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种汽车座椅性能仿真模型的构建方法，包括根据汽车座椅发泡的几何结构，建立汽车座椅发泡的有限元模型；获取汽车座椅发泡所承受由假人施加的载荷及约束条件，并在汽车座椅发泡的有限元模型中，导入所获取到的汽车座椅发泡所承受由假人施加的载荷及约束条件，得到汽车座椅性能仿真模型。实施本发明，替代传统的人为手工调节假人与汽车座椅发泡之间的干涉，不仅使假人和座椅之间光滑贴合，获得更接近实际状态的数据模型，同时还能有效避免人为调干涉动态分析时出现负体积错误。
Description
技术领域
本发明涉及汽车座椅轻量化设计技术领域，尤其涉及一种汽车座椅性能仿真模型的构建方法及系统。
背景技术
座椅作为汽车的重要零部件之一，是乘员与汽车的直接连接媒介。汽车座椅不仅要能够支撑成员身体的重量，减轻乘员的疲劳以满足主动安全性要求，还要求能够与安全带、安全气囊相匹配，对乘员进行定位，减缓碰撞的剧烈程度，使乘员的损伤指标降至最小，以满足被动安全性要求。在汽车发生碰撞的过程中，合理的座椅结构设计，能够使座椅与安全带、气囊等配合使用，防止乘员偏离安全的空间范围，能够确保座椅在承受复杂载荷的条件下满足必要的强度、刚度要求，阻止其他零部件侵入乘员空间，同时能够在保证座椅功能不失效的前提下，尽量吸收更多的碰撞能量，有效地减轻碰撞过程中乘员的损伤程度，达到保护乘员安全的作用。
利用计算机仿真技术(CAE)进行座椅设计开发改进，可以将座椅性能试验与结构建模和相关仿真分析一起进行。在模型合理有效的基础上，可以用验证过的模型进行虚拟仿真，预测设计改进效果，从而可以对设计的合理性做出准确的判断，或对多种不同改进方案进行对比选择，最终选择一种最优化的方案进行试制，减少座椅设计改进的盲目性，缩短研究开发周期，节省研发费用。
但是，在建立汽车座椅95假人前(后)碰等仿真模型中，调节假人与汽车座椅发泡蒙皮之间的干涉不仅需要投入大量的人力和时间，而且最终得到的蒙皮质量结果并不太理想，往往会在对座椅进行动态分析时出现错误(如95％假人后碰有限元仿真试验中出现负体积的错误)，这给工程师带来了巨大的不便。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种汽车座椅性能仿真模型的构建方法及系统，替代传统的人为手工调节假人与汽车座椅发泡之间的干涉，不仅使假人和座椅之间光滑贴合，获得更接近实际状态的数据模型，同时还能有效避免人为调干涉动态分析时出现负体积错误。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种汽车座椅性能仿真模型的构建方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、根据汽车座椅发泡的几何结构，建立汽车座椅发泡的有限元模型；
步骤S2、获取汽车座椅发泡所承受由假人施加的载荷及约束条件，并在所述汽车座椅发泡的有限元模型中，导入所获取到的汽车座椅发泡所承受由假人施加的载荷及约束条件，得到汽车座椅性能仿真模型。
其中，所述步骤S1具体包括：
依据分析目标的重要性和考虑计算时间，将汽车座椅发泡结构的几何尺寸进行简化；
使用有限元前处理软件hypermesh中的Automesh自动网格划分功能对简化处理后的汽车座椅发泡结构实现基于几何表面的二维网格划分，通过交互方式控制网格划分的参数来得到质量较高的网格，并进行质量检查后使用tetramesh生成发泡实体网格；
定义汽车座椅发泡实体为硬质聚氨酯，单元属性采用#10体单元积分模式，材料模型采用低密度泡沫材料*MAT_LOW_DENSITY_FOAM模拟；定义发泡的外部包裹着一层织物，织物为各向异性材料，单元属性采用#9壳单元积分模式，材料模型采用织物材料*MAT_FABRIC模拟。
其中，所述质量检查的内容包括翘曲度、纵横比、单元长度及雅克比。
其中，所述步骤S2具体包括：
在所述汽车座椅发泡的有限元模型中，对Hybrid II 95％假人进行定位，并调整Hybrid II 95％假人坐姿，使Hybrid II 95％假人和座椅发泡在载荷的作用下相互挤压在一起；
在所述汽车座椅发泡的有限元模型中，对Hybrid II 95％假人施加一个垂直于座垫发泡的载荷，对座垫发泡的B面施加一个全约束，以及对Hybrid II 95％假人施加一个垂直于靠背发泡的载荷，对靠背发泡的B面施加一个全约束，计算得到汽车座椅性能仿真模型。
本发明实施例还提供了一种汽车座椅性能仿真模型的构建系统，包括：
座椅发泡的有限元模型构建单元，用于根据汽车座椅发泡的几何结构，建立汽车座椅发泡的有限元模型；
座椅性能仿真模型构建单元，用于获取汽车座椅发泡所承受由假人施加的载荷及约束条件，并在所述汽车座椅发泡的有限元模型中，导入所获取到的汽车座椅发泡所承受由假人施加的载荷及约束条件，得到汽车座椅性能仿真模型。
其中，所述座椅发泡的有限元模型构建单元包括：
结构简化模块，用于依据分析目标的重要性和考虑计算时间，将汽车座椅发泡结构的几何尺寸进行简化；
网格划分模块，用于使用有限元前处理软件hypermesh中的Automesh自动网格划分功能对简化处理后的汽车座椅发泡结构实现基于几何表面的二维网格划分，通过交互方式控制网格划分的参数来得到质量较高的网格，并进行质量检查后使用tetramesh生成发泡实体网格；
材料及属性定义模块，用于定义汽车座椅发泡实体为硬质聚氨酯，单元属性采用#10体单元积分模式，材料模型采用低密度泡沫材料*MAT_LOW_DENSITY_FOAM模拟；定义发泡的外部包裹着一层织物，织物为各向异性材料，单元属性采用#9壳单元积分模式，材料模型采用织物材料*MAT_FABRIC模拟。
其中，所述质量检查的内容包括翘曲度、纵横比、单元长度及雅克比。
其中，所述座椅性能仿真模型构建单元包括：
设置模块，用于在所述汽车座椅发泡的有限元模型中，对Hybrid II 95％假人进行定位，并调整Hybrid II 95％假人坐姿，使Hybrid II 95％假人和座椅发泡在载荷的作用下相互挤压在一起；
结果输出模块，用于在所述汽车座椅发泡的有限元模型中，对Hybrid II 95％假人施加一个垂直于座垫发泡的载荷，对座垫发泡的B面施加一个全约束，以及对Hybrid II95％假人施加一个垂直于靠背发泡的载荷，对靠背发泡的B面施加一个全约束，计算得到汽车座椅性能仿真模型。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1、本发明基于CAE仿真技术，在有限元分析中传统的人为手工调节假人与汽车座椅发泡之间的干涉改进为通过CAE仿真技术自动调节假人与汽车座椅发泡之间的干涉，可以使假人和座椅之间光滑贴合，得到更接近实际状态的数据，而且得到的发泡网格质量良好，同时有效避免人为调干涉造成的计算时出现负体积的错误；
2、本发明利用CAE仿真技术建立仿真模型，既节约成本和缩短周期，又有效的保证了模型网格的质量，同时，建立好一次规范模型后，可成为标准化，之后所有需要调节假人和座椅的干涉只需替换发泡有限元模型即可，使产品在满足质量要求的同时，又具备经济性、简易性等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的一种汽车座椅性能仿真模型的构建方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种汽车座椅性能仿真模型的构建方法的应用场景中汽车座椅发泡的立体结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种汽车座椅性能仿真模型的构建方法的应用场景中假人施加载荷于坐垫发泡上的立体结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种汽车座椅性能仿真模型的构建方法的应用场景中假人施加载荷于靠背发泡上的立体结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种汽车座椅性能仿真模型的构建系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，为本发明实施例中，提出的一种汽车座椅性能仿真模型的构建方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、根据汽车座椅发泡的几何结构，建立汽车座椅发泡的有限元模型；
具体过程为，将汽车座椅发泡CAD数据进行离散化，依据分析目标的重要性和考虑计算时间，将汽车座椅发泡结构的几何尺寸进行简化；
使用有限元前处理软件hypermesh中的Automesh自动网格划分功能对简化处理后的汽车座椅发泡结构实现基于几何表面的二维网格划分，通过交互方式控制网格划分的参数来得到质量较高的网格，并进行质量检查后使用tetramesh生成发泡实体网格；其中，质量检查的内容包括翘曲度、纵横比、单元长度及雅克比；
定义汽车座椅发泡实体为硬质聚氨酯，单元属性采用#10体单元积分模式，材料模型采用低密度泡沫材料*MAT_LOW_DENSITY_FOAM模拟；定义发泡的外部包裹着一层织物，织物为各向异性材料，单元属性采用#9壳单元积分模式，材料模型采用织物材料*MAT_FABRIC模拟。
应当说明的是，有限元模型的构建属于本领域常用技术手段，具体的刚度矩阵、边界等设定及详细步骤，在此不再赘述。
在一个例子中，将汽车座椅发泡的CAD数据导入前处理软件hypermesh中对座椅发泡的CAD数据进行了必要的几何清理，按要求完成细致的网格划分，座椅发泡有限元模型的网格质量要求如表1所示。表1
建立好的汽车座椅发泡有限元模型包括13993个节点，73041个单元。根据座椅发泡的实际情况对模型进行正确的材料与属性的设置、接触定义以及重心与质量加载，为下一步的试验仿真分析提供基础。
步骤S2、获取汽车座椅发泡所承受由假人施加的载荷及约束条件，并在所述汽车座椅发泡的有限元模型中，导入所获取到的汽车座椅发泡所承受由假人施加的载荷及约束条件，得到汽车座椅性能仿真模型。
具体过程为，在汽车座椅发泡的有限元模型中，对Hybrid II 95％假人进行定位，并调整Hybrid II 95％假人坐姿，使Hybrid II 95％假人和座椅发泡在载荷的作用下相互挤压在一起；
在汽车座椅发泡的有限元模型中，对Hybrid II 95％假人施加一个垂直于座垫发泡的载荷，对座垫发泡的B面施加一个全约束，以及对Hybrid II 95％假人施加一个垂直于靠背发泡的载荷，对靠背发泡的B面施加一个全约束，计算得到汽车座椅性能仿真模型。
在一个例子中，如图2至图4所示，采用有限元后处理软件lsprepost借助其强大的假人定位功能，对Hybrid II 95％假人1进行定位，将Hybrid II 95％假人1的H点移至座椅发泡2的R点，并调整Hybrid II 95％假人1坐姿使之符合实际情况。定位后Hybrid II 95％假人1下体和座椅发泡2之间的接触有较大穿透，而这也是本发明专利需要解决的地方。将定位好的Hybrid II 95％假人1导出K文件，以便下一步使用；
将已经调整好的Hybrid II 95％假人1坐姿和已建立完成的座椅发泡模型一起导入有限元前处理软件hypermesh中建立相关接触、载荷和约束，然后导出K文件提交到求解软件Ls-dyan中进行计算；其中，接触设置为Hybrid II 95％假人1和座椅发泡2在载荷的作用下会相互挤压在一起，这些相互挤压部分之间会有力的作用，在有限元分析中通过*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SERFACE接触来模拟它们之间的作用力关系；载荷和约束的设置为在座垫发泡有限元模型中，对Hybrid II 95％假人1施加一个垂直于座垫发泡3的载荷，对座垫发泡3的B面施加一个全约束；在靠背发泡有限元模型中，对Hybrid II 95％假人1施加一个垂直于靠背发泡4的载荷，对靠背发泡4的B面施加一个全约束；
在有限元后处理软件lsprepost中打开求解后得到的文件d3plot进行查后处理，可以看出计算的最后一步时Hybrid II 95％假人1和座椅发泡2之间的初始穿透已经消除，且获得座垫发泡2的初始变形和预应力；
将最后的座椅发泡有限元模型导出K文件并替换初始座椅有限元模型中的发泡有限元模型，得到汽车座椅性能仿真模型，即得到已调好干涉的座椅有限元模型。
如图5所示，为本发明实施例中，提供的一种汽车座椅性能仿真模型的构建系统，包括：
座椅发泡的有限元模型构建单元10，用于根据汽车座椅发泡的几何结构，建立汽车座椅发泡的有限元模型；
座椅性能仿真模型构建单元20，用于获取汽车座椅发泡所承受由假人施加的载荷及约束条件，并在所述汽车座椅发泡的有限元模型中，导入所获取到的汽车座椅发泡所承受由假人施加的载荷及约束条件，得到汽车座椅性能仿真模型。
其中，所述座椅发泡的有限元模型构建单元10包括：
结构简化模块101，用于依据分析目标的重要性和考虑计算时间，将汽车座椅发泡结构的几何尺寸进行简化；
网格划分模块102，用于使用有限元前处理软件hypermesh中的Automesh自动网格划分功能对简化处理后的汽车座椅发泡结构实现基于几何表面的二维网格划分，通过交互方式控制网格划分的参数来得到质量较高的网格，并进行质量检查后使用tetramesh生成发泡实体网格；
材料及属性定义模块103，用于定义汽车座椅发泡实体为硬质聚氨酯，单元属性采用#10体单元积分模式，材料模型采用低密度泡沫材料*MAT_LOW_DENSITY_FOAM模拟；定义发泡的外部包裹着一层织物，织物为各向异性材料，单元属性采用#9壳单元积分模式，材料模型采用织物材料*MAT_FABRIC模拟。
其中，所述质量检查的内容包括翘曲度、纵横比、单元长度及雅克比。
其中，所述座椅性能仿真模型构建单元20包括：
设置模块201，用于在所述汽车座椅发泡的有限元模型中，对Hybrid II 95％假人进行定位，并调整Hybrid II 95％假人坐姿，使Hybrid II 95％假人和座椅发泡在载荷的作用下相互挤压在一起；
结果输出模块202，用于在所述汽车座椅发泡的有限元模型中，对Hybrid II95％假人施加一个垂直于座垫发泡的载荷，对座垫发泡的B面施加一个全约束，以及对HybridII 95％假人施加一个垂直于靠背发泡的载荷，对靠背发泡的B面施加一个全约束，计算得到汽车座椅性能仿真模型。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1、本发明基于CAE仿真技术，在有限元分析中传统的人为手工调节假人与汽车座椅发泡之间的干涉改进为通过CAE仿真技术自动调节假人与汽车座椅发泡之间的干涉，可以使假人和座椅之间光滑贴合，得到更接近实际状态的数据，而且得到的发泡网格质量良好，同时有效避免人为调干涉造成的计算时出现负体积的错误；
2、本发明利用CAE仿真技术建立仿真模型，既节约成本和缩短周期，又有效的保证了模型网格的质量，同时，建立好一次规范模型后，可成为标准化，之后所有需要调节假人和座椅的干涉只需替换发泡有限元模型即可，使产品在满足质量要求的同时，又具备经济性、简易性等特点。
值得注意的是，上述装置实施例中，所包括的各个装置单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种汽车座椅性能仿真模型的构建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、根据汽车座椅发泡的几何结构，建立汽车座椅发泡的有限元模型；
步骤S2、获取汽车座椅发泡所承受由假人施加的载荷及约束条件，并在所述汽车座椅发泡的有限元模型中，导入所获取到的汽车座椅发泡所承受由假人施加的载荷及约束条件，得到汽车座椅性能仿真模型。
2.如权利要求1所述的汽车座椅性能仿真模型的构建方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
依据分析目标的重要性和考虑计算时间，将汽车座椅发泡结构的几何尺寸进行简化；
使用有限元前处理软件hypermesh中的Automesh自动网格划分功能对简化处理后的汽车座椅发泡结构实现基于几何表面的二维网格划分，通过交互方式控制网格划分的参数来得到质量较高的网格，并进行质量检查后使用tetramesh生成发泡实体网格；
定义汽车座椅发泡实体为硬质聚氨酯，单元属性采用#10体单元积分模式，材料模型采用低密度泡沫材料*MAT_LOW_DENSITY_FOAM模拟；定义发泡的外部包裹着一层织物，织物为各向异性材料，单元属性采用#9壳单元积分模式，材料模型采用织物材料*MAT_FABRIC模拟。
3.如权利要求2所述的汽车座椅性能仿真模型的构建方法，其特征在于，所述质量检查的内容包括翘曲度、纵横比、单元长度及雅克比。
4.如权利要求1所述的汽车座椅性能仿真模型的构建方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
在所述汽车座椅发泡的有限元模型中，对HybridII95％假人进行定位，并调整HybridII95％假人坐姿，使Hybrid II95％假人和座椅发泡在载荷的作用下相互挤压在一起；
在所述汽车座椅发泡的有限元模型中，对Hybrid II95％假人施加一个垂直于座垫发泡的载荷，对座垫发泡的B面施加一个全约束，以及对Hybrid II95％假人施加一个垂直于靠背发泡的载荷，对靠背发泡的B面施加一个全约束，计算得到汽车座椅性能仿真模型。
5.一种汽车座椅性能仿真模型的构建系统，其特征在于，包括：
座椅发泡的有限元模型构建单元，用于根据汽车座椅发泡的几何结构，建立汽车座椅发泡的有限元模型；
座椅性能仿真模型构建单元，用于获取汽车座椅发泡所承受由假人施加的载荷及约束条件，并在所述汽车座椅发泡的有限元模型中，导入所获取到的汽车座椅发泡所承受由假人施加的载荷及约束条件，得到汽车座椅性能仿真模型。
6.如权利要求5所述的汽车座椅性能仿真模型的构建系统，其特征在于，所述座椅发泡的有限元模型构建单元包括：
结构简化模块，用于依据分析目标的重要性和考虑计算时间，将汽车座椅发泡结构的几何尺寸进行简化；
网格划分模块，用于使用有限元前处理软件hypermesh中的Automesh自动网格划分功能对简化处理后的汽车座椅发泡结构实现基于几何表面的二维网格划分，通过交互方式控制网格划分的参数来得到质量较高的网格，并进行质量检查后使用tetramesh生成发泡实体网格；
材料及属性定义模块，用于定义汽车座椅发泡实体为硬质聚氨酯，单元属性采用#10体单元积分模式，材料模型采用低密度泡沫材料*MAT_LOW_DENSITY_FOAM模拟；定义发泡的外部包裹着一层织物，织物为各向异性材料，单元属性采用#9壳单元积分模式，材料模型采用织物材料*MAT_FABRIC模拟。
7.如权利要求6所述的汽车座椅性能仿真模型的构建系统，其特征在于，所述质量检查的内容包括翘曲度、纵横比、单元长度及雅克比。
8.如权利要求5所述的汽车座椅性能仿真模型的构建系统，其特征在于，所述座椅性能仿真模型构建单元包括：
设置模块，用于在所述汽车座椅发泡的有限元模型中，对Hybrid II95％假人进行定位，并调整Hybrid II95％假人坐姿，使Hybrid II95％假人和座椅发泡在载荷的作用下相互挤压在一起；
结果输出模块，用于在所述汽车座椅发泡的有限元模型中，对HybridII95％假人施加一个垂直于座垫发泡的载荷，对座垫发泡的B面施加一个全约束，以及对Hybrid II95％假人施加一个垂直于靠背发泡的载荷，对靠背发泡的B面施加一个全约束，计算得到汽车座椅性能仿真模型。
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