CN114722684A - 一种座椅硬点及硬点尺寸快速仿真计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种座椅硬点及硬点尺寸快速仿真计算方法,属于座椅开发技术领域,包括建立假人有限元模型,建立待测座椅的有限元模型,传递关系的建立与边界条件的施加,仿真结果的定义与输出;本发明利用有限元仿真技术进行硬点及硬点尺寸的快速仿真测量,当仿真结果与设计目标达到一定的一致程度后再制作样件进行实物验证,便于进行概念阶段设计方案的评价和改进。此外这种方法还具有投入少、成本低、方便快捷、结果准确客观、应用灵活等特点。找到模型输入与参数输出之间准确的传递关系,尽可能降低模型的复杂程度,提高结果的准确程度。利用仿真技术直接避免了多次的样件试制和试验,并能在设计过程中就快速便捷的随时进行快速测量与验证。
Description
技术领域
本发明属于座椅开发技术领域,具体涉及一种座椅硬点及硬点尺寸快速仿真计算方法。
背景技术
现代社会,人们对汽车驾乘体验的要求越来越高,其中,作为承托驾驶员与乘客,给驾乘人员提供便于操作、舒适安全的驾驶、乘坐位置的座椅,其舒适性等特性越发的被人们所关注。为此,行业内总结了很多设计座椅的关键数据,即硬点。设计并制造出拥有合理硬点的座椅,是满足座椅舒适性的必要条件。为了更好的逆向以及验证座椅的关键硬点,行业内设计了多种假人工具来对汽车座椅的硬点及硬点尺寸进行实体测量。
对于汽车厂商,为了实现舒适性的目标,需要围绕主机厂给定的座椅设计参数目标值(H点位置、坐垫角、靠背角、腰部支撑量等)进行造型和结构设计。先期的设计完成后,再制作实物样件,利用假人工具对其进行实体测量,以验证设计参数目标值是否符合设计预期。而后评估验证结果,但设计结果往往并不符合设计目标。之后再进行多轮设计迭代,直至产品满足要求。
由于发泡材料、造型、骨架弹簧等存在很大的材料和几何非线性,往往导致实际的硬点及硬点尺寸等参数可能与设计目标之间存在不可接受的误差,使得目前这种开发方式在设计早期存在很大的盲目性。往往后期验证发现没有达到预期的目标值,于是需要多轮设计修改、验证的设计开发迭代,浪费了时间和资金。
发明内容
本发明的目的在于提供一种座椅硬点及硬点尺寸快速仿真计算方法,减少企业对于汽车座椅设计的盲目性,使生产出的座椅在硬点尺寸上更加科学并符合设计要求;能够实现在制作尽量少样件的前提下,即用尽量少的设计迭代与实物验证次数来找到符合设计要求的尺寸,以此降低企业的设计成本,同时还能提高座椅样件的设计拟合程度。
本发明通过如下技术方案实现:
一种座椅硬点及硬点尺寸快速仿真计算方法,具体包括如下步骤:
步骤S1:建立假人有限元模型,包括:
S11:通过提取标准假人或标准人体中与座椅相接触一侧的轮廓面,作为模型的轮廓部件,并通过三角形壳单元将其进行有限元网格划分;
S12:设置壳单元属性及连接属性;
S13:定义输出参考点集;
包括,臀部梁5的两端、躯干梁10的两端及腰部梁6的两端;
完成假人有限元模型的建立;
步骤S2:建立待测座椅的有限元模型;
将假人有限元模型和座椅有限元模型根据型面和乘坐趋势进行装配;
步骤S3:传递关系的建立与边界条件的施加;
步骤S4:仿真结果的定义与输出;
将步骤S1中装配好后的模型整理并检查无误后提交有限元计算;
计算完成后提取在步骤S13建立好的输出参考点集中的参考点坐标,即得到座椅硬点坐标,后经过几何计算得到关键硬点尺寸。
进一步地,步骤S1所述建立假人有限元模型,其中,假人有限元模型外形根据标准假人工具或标准人体体表建立,假人模型的轮廓部件包括肩部轮廓、背部轮廓、腰部轮廓及臀部轮廓,假人模型的梁部件包括臀部梁、腰部梁、背部梁、连接梁、肩部梁及躯干梁。
进一步地,所述肩部轮廓的尺寸为250mm,背部轮廓的尺寸为150mm、腰部轮廓的尺寸为75mm,臀部轮廓的尺寸为500mm;所述腰部梁的长度为99.2mm,背部梁的长度为191.0mm,连接梁的长度为163.3mm,肩部梁的长度为113.3mm。
进一步地,轮廓部件组装后的最大宽度为405mm,轮廓部件组装后的长度为500mm,轮廓部件组装后的高度为595mm。
进一步地,步骤S12所述的设置壳单元属性,具体如下:
设置壳单元属性:将假人模型的轮廓部件的壳单元设置为刚体;将梁部件的线框绘制为刚体梁单元或在连接属性中将线框两端简化设置为梁连接。
进一步地,步骤S12中还包括设置肩部轮廓部件单元的密度使肩部轮廓部件质量为14.29kg,相应分别设置各轮廓部件单元的密度使背部轮廓部件质量为6.92kg,腰部轮廓部件质量为12.31kg,臀部轮廓部件质量为29.57kg。
进一步地,步骤S12所述的设置连接属性,具体如下:
梁部件间的连接关系如下:臀部梁5后端、腰部梁6下端和躯干梁10下端之间相互铰接;腰部梁6上端和背部梁7下端之间相互铰接;腰部梁6上端和肩部梁9下端之间相互铰接;肩部梁9上端铰接连接器后与躯干梁10之间形成滑块机构,使肩部梁上端能沿躯干梁上下运动;轮廓部件上的结点与所对应的梁部件两端进行运动耦合或连接属性中将轮廓部件与所对应的梁部件进行焊接连接;连接梁8的上端与肩部轮廓1铰接;连接梁8的下端与腰部轮廓3铰接。
进一步地,所述步骤S3中传递关系的建立,具体如下:
定义假人与座椅之间的接触,法向作用硬接触且可分离,切向作用罚接触摩擦因子0.15,并以假人轮廓表面为主面,座椅型面为从面。
进一步地,所述步骤S3中所述边界条件的施加,具体如下:
对重力采用平滑幅值,若轮廓部件与座椅型面之间平均间距大于15m时,需在重力施加的分析步之前添加压紧分析过程,在各梁部件端点上施加5N朝向座椅型面的力。
与现有技术相比,本发明的优点如下:
本发明的一种座椅硬点及硬点尺寸快速仿真方法,可在制作实物样件前,利用有限元仿真技术进行硬点及硬点尺寸的快速仿真测量,当仿真结果与设计目标达到一定的一致程度后再制作样件进行实物验证,便于进行概念阶段设计方案的评价和改进。此外这种方法还具有投入少、成本低、方便快捷、结果准确客观、应用灵活等特点。找到模型输入与参数输出之间准确的传递关系,尽可能降低模型的复杂程度,提高结果的准确程度。利用仿真技术直接避免了多次的样件试制和试验,并能在设计过程中就快速便捷的随时进行快速测量与验证,大大的减少了前期概念阶段的设计时间,降低了设计过程中的成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中,类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中,各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明的一种座椅硬点及硬点尺寸快速仿真计算方法的流程示意图;
图2为假人模型的示意图;
图3为模型轮廓部件侧面关键尺寸示意图;
图4为模型轮廓部件正面关键尺寸示意图;
图5为模型梁部件连接关系示意图;
图6为模型各部件初始连接尺寸示意图;
图中:肩部轮廓1、背部轮廓2、腰部轮廓3、臀部轮廓4、臀部梁5、腰部梁6、背部梁7、连接梁8、肩部梁9、躯干梁10。
具体实施方式
为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程,结合说明书附图,本发明的具体实施方式如下:
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
实施例1
如图1所示,本实施例提供了一种座椅硬点及硬点尺寸快速仿真计算方法,具体包括如下步骤:
步骤S1:建立假人有限元模型,包括:
S11:通过提取标准假人或标准人体中与座椅相接触一侧的轮廓面,作为模型的轮廓部件,并通过三角形壳单元将其进行有限元网格划分;
其中,假人有限元模型外形根据标准假人工具或标准人体体表建立,假人模型的轮廓部件包括肩部轮廓、背部轮廓、腰部轮廓及臀部轮廓,假人模型的梁部件包括臀部梁、腰部梁、背部梁、连接梁、肩部梁及躯干梁;
所述肩部轮廓的尺寸为250mm,背部轮廓的尺寸为150mm、腰部轮廓的尺寸为75mm,臀部轮廓的尺寸为500mm;所述腰部梁的长度为99.2mm,背部梁的长度为191.0mm,连接梁的长度为163.3mm,肩部梁的长度为113.3mm;
轮廓部件组装后的最大宽度为405mm,轮廓部件组装后的长度为500mm,轮廓部件组装后的高度为595mm;
S12:设置壳单元属性及连接属性;
S13:定义输出参考点集;
包括,臀部梁5的两端、躯干梁10的两端及腰部梁6的两端;
完成假人有限元模型的建立;
步骤S2:建立待测座椅的有限元模型;
将假人有限元模型和座椅有限元模型根据型面和乘坐趋势进行装配;
设置壳单元属性:将假人模型的轮廓部件的壳单元设置为刚体;将梁部件的线框绘制为刚体梁单元或在连接属性中将线框两端简化设置为梁连接;
梁部件间的连接关系如下:臀部梁5后端、腰部梁6下端和躯干梁10下端之间相互铰接;腰部梁6上端和背部梁7下端之间相互铰接;腰部梁6上端和肩部梁9下端之间相互铰接;肩部梁9上端铰接连接器后与躯干梁10之间形成滑块机构,使肩部梁上端能沿躯干梁上下运动;轮廓部件上的结点与所对应的梁部件两端进行运动耦合或连接属性中将轮廓部件与所对应的梁部件进行焊接连接;连接梁8的上端与肩部轮廓1铰接;连接梁8的下端与腰部轮廓3铰接;
步骤S12中还包括设置肩部轮廓部件单元的密度使肩部轮廓部件质量为14.29kg,相应分别设置各轮廓部件单元的密度使背部轮廓部件质量为6.92kg,腰部轮廓部件质量为12.31kg,臀部轮廓部件质量为29.57kg;
步骤S3:传递关系的建立与边界条件的施加;
传递关系的建立:定义假人与座椅之间的接触,法向作用硬接触且可分离,切向作用罚接触摩擦因子0.15,并以假人轮廓表面为主面,座椅型面为从面;
边界条件的施加:对重力采用平滑幅值,若轮廓部件与座椅型面之间平均间距大于15m时,需在重力施加的分析步之前添加压紧分析过程,在各梁部件端点上施加5N朝向座椅型面的力。
步骤S4:仿真结果的定义与输出;
将步骤S1中装配好后的模型整理并检查无误后提交有限元计算;
计算完成后提取在步骤S13建立好的输出参考点集中的参考点坐标,即得到座椅硬点坐标,后经过几何计算得到关键硬点尺寸。
实施例2
对设计目标人群为男子95百分位并已有几何模型的座椅进行设计校核,需要获得座椅的硬点坐标和硬点尺寸。
本实施例的一种座椅硬点及硬点尺寸快速仿真计算方法,具体包括如下步骤:
步骤S1:提取坐姿男子95百分位人体体表,包括臀部、腰部、背部和肩部的体表;按图3及图4的尺寸要求截取体表轮廓面作为各轮廓部件(为曲面而非实体);其中,肩部轮廓高为250mm,背部轮廓高为150mm,腰部轮廓高为75mm,总宽为405mm,总长为500mm,总高为595mm;进行必要的几何清理,并以10mm大小的三角形壳单元为各轮廓部件绘制有限元网格,最终臀部轮廓部件绘制单元3034个,腰部轮廓部件绘制单元468个,背部轮廓部件绘制单元656个,肩部轮廓部件绘制单元1225个,各部件的网格质量良好;
步骤S2:设置单元属性,所有轮廓部件单元均为刚体;设置肩部轮廓部件单元的密度使肩部轮廓部件质量为14.29kg,同理分别设置各轮廓部件单元的密度使背部轮廓部件质量为6.92kg,腰部轮廓部件质量为12.31kg,臀部轮廓部件质量为29.57kg;
按图6的初始连接尺寸和各梁部件长度要求绘制各梁部件的线框,并将各梁线框的两端通过连接属性设置为梁连接,使所有梁部件成为刚体梁;
按图5设置各部件之间的连接属性,具体如下:
臀部梁5的后端、腰部梁6的下端和躯干梁10的下端之间相互铰接;腰部梁6的上端和背部梁7的下端之间相互铰接;腰部梁6的上端和肩部梁9的下端之间相互铰接;肩部梁9的上端铰接连接器后与躯干梁10之间形成滑块机构,使肩部梁上端能沿躯干梁上下运动。将轮廓部件上的结点与所对应的梁部件两端进行运动耦合,其中梁部件端点为控制点。连接梁8的上端与肩部轮廓1铰接;连接梁8的下端与腰部轮廓3铰接;
步骤S3:定义输出参考点集;
在臀部梁5两端、躯干梁10两端和腰部梁6两端建立参考点,并将这些参考点加入一个集合中作为输出参考点集;至此完成了假人有限元模型的建立;
步骤S4:
利用已有的待测座椅几何模型建立待测座椅的有限元模型;为了提高效率进行了模型的简化,座椅的部件仅保留了主海绵、软海绵及表面蒙皮。对座椅模型进行了必要对的几何清理并绘制了质量良好的网格;对各网格赋予合适的材料参数;通过绑定的方式定义各座椅部件之间的连接,完成座椅有限元模型的建立;
将假人有限元模型和座椅有限元模型根据型面和乘坐趋势进行装配,保证两者间距离尽可能近,但不发生接触与干涉;
步骤S5:传递关系的建立与边界条件的施加;
传递关系的建立:定义假人与座椅之间的接触,法向作用硬接触且可分离,切向作用罚接触摩擦因子0.15,并以假人的轮廓部件表面为主面,座椅表面蒙皮型面为从面;
定义边界条件:将座椅主海绵的底部和背部固定,载荷对整个模型施加重力加速度为9.8m/s2的重力场,并采用平滑幅值以保证接触稳定;
检查假人轮廓部件与座椅表面蒙皮型面之间的平均距离,平均间距大于25mm,则在重力施加的分析步之前添加压紧分析步,压紧分析步中在各梁部件端点上施加5N朝向座椅型面的力;
步骤S6:将装配后的整个模型整理并检查无误后提交有限元计算;
计算完成后提取在S3建立好的输出参考点集中参考点的坐标,将输出参考点通过几何计算即可获得硬点坐标及硬点尺寸。臀部梁5两端连线与水平面间夹角为坐垫角A27;躯干梁10两端连线与铅垂线间夹角为躯干角A40;腰部梁6上端到躯干梁10两端连线的距离减去54mm后的绝对值为腰部支撑量L81(LSP);臀部梁5与躯干梁10的铰接点坐标为H点坐标。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合,为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本发明的思想,其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (9)
1.一种座椅硬点及硬点尺寸快速仿真计算方法,其特征在于,具体包括如下步骤:
步骤S1:建立假人有限元模型,包括:
S11:通过提取标准假人或标准人体中与座椅相接触一侧的轮廓面,作为模型的轮廓部件,并通过三角形壳单元将其进行有限元网格划分;
S12:设置壳单元属性及连接属性;
S13:定义输出参考点集;
包括,臀部梁的两端、躯干梁的两端及腰部梁的两端;
完成假人有限元模型的建立;
步骤S2:建立待测座椅的有限元模型;
将假人有限元模型和座椅有限元模型根据型面和乘坐趋势进行装配;
步骤S3:传递关系的建立与边界条件的施加;
步骤S4:仿真结果的定义与输出;
将步骤S1中装配好后的模型整理并检查无误后提交有限元计算;
计算完成后提取在步骤S13建立好的输出参考点集中的参考点坐标,即得到座椅硬点坐标,后经过几何计算得到关键硬点尺寸。
2.如权利要求1所述的一种座椅硬点及硬点尺寸快速仿真计算方法,其特征在于,步骤S11中,假人有限元模型外形根据标准假人工具或标准人体体表建立,假人模型的轮廓部件包括肩部轮廓、背部轮廓、腰部轮廓及臀部轮廓,假人模型的梁部件包括臀部梁、腰部梁、背部梁、连接梁、肩部梁及躯干梁。
3.如权利要求2所述的一种座椅硬点及硬点尺寸快速仿真计算方法,其特征在于,所述肩部轮廓的尺寸为250mm,背部轮廓的尺寸为150mm、腰部轮廓的尺寸为75mm,臀部轮廓的尺寸为500mm;所述腰部梁的长度为99.2mm,背部梁的长度为191.0mm,连接梁的长度为163.3mm,肩部梁的长度为113.3mm。
4.如权利要求2所述的一种座椅硬点及硬点尺寸快速仿真计算方法,其特征在于,轮廓部件组装后的最大宽度为405mm,轮廓部件组装后的长度为500mm,轮廓部件组装后的高度为595mm。
5.如权利要求1所述的一种座椅硬点及硬点尺寸快速仿真计算方法,其特征在于,步骤S12所述的设置壳单元属性,具体如下:
设置壳单元属性:将假人模型的轮廓部件的壳单元设置为刚体;将梁部件的线框绘制为刚体梁单元或在连接属性中将线框两端简化设置为梁连接。
6.如权利要求1所述的一种座椅硬点及硬点尺寸快速仿真计算方法,其特征在于,步骤S12中还包括设置肩部轮廓部件单元的密度使肩部轮廓部件质量为14.29kg,相应分别设置各轮廓部件单元的密度使背部轮廓部件质量为6.92kg,腰部轮廓部件质量为12.31kg,臀部轮廓部件质量为29.57kg。
7.如权利要求1所述的一种座椅硬点及硬点尺寸快速仿真计算方法,其特征在于,步骤S12所述的设置连接属性,具体如下:
梁部件间的连接关系如下:臀部梁(5)的后端、腰部梁(6)的下端和躯干梁(10)的下端之间相互铰接;腰部梁(6)的上端和背部梁(7)的下端之间相互铰接;腰部梁(6)的上端和肩部梁(9)的下端之间相互铰接;肩部梁(9)的上端铰接连接器后与躯干梁的(10)之间形成滑块机构,使肩部梁上端能沿躯干梁上下运动;轮廓部件上的结点与所对应的梁部件两端进行运动耦合或连接属性中将轮廓部件与所对应的梁部件进行焊接连接;连接梁(8)的上端与肩部轮廓(1)铰接;连接梁(8)的下端与腰部轮廓(3)铰接。
8.如权利要求1所述的一种座椅硬点及硬点尺寸快速仿真计算方法,其特征在于,所述步骤S3中传递关系的建立,具体如下:
定义假人与座椅之间的接触,法向作用硬接触且可分离,切向作用罚接触摩擦因子0.15,并以假人轮廓表面为主面,座椅型面为从面。
9.如权利要求1所述的一种座椅硬点及硬点尺寸快速仿真计算方法,其特征在于,所述步骤S3中所述边界条件的施加,具体如下:
对重力采用平滑幅值,若轮廓部件与座椅型面之间平均间距大于15m时,需在重力施加的分析步之前添加压紧分析过程,在各梁部件端点上施加5N朝向座椅型面的力。
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CN202210491421.3A CN114722684A (zh) | 2022-05-07 | 2022-05-07 | 一种座椅硬点及硬点尺寸快速仿真计算方法 |
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Cited By (1)
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CN113916085A (zh) * | 2021-10-15 | 2022-01-11 | 江苏徐工工程机械研究院有限公司 | 一种便携式人机硬点测量装置及测量修正方法 |
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2022
- 2022-05-07 CN CN202210491421.3A patent/CN114722684A/zh active Pending
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CN113916085A (zh) * | 2021-10-15 | 2022-01-11 | 江苏徐工工程机械研究院有限公司 | 一种便携式人机硬点测量装置及测量修正方法 |
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Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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