基于ANSYS和人機(jī)工程學(xué)的賽車(chē)座椅設(shè)計(jì)與優(yōu)化

曹佳潭，劉學(xué)淵，夏 杰，李加強(qiáng)，楊正華，李文財(cái)，俞揚(yáng)榮，郭子駿

（西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

人機(jī)工程學(xué)是近年興起的一門(mén)綜合性強(qiáng)的交叉學(xué)科，它是著重于研究人、機(jī)、環(huán)境相互作用和關(guān)系的規(guī)律，以此優(yōu)化人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的一門(mén)邊緣學(xué)科。其目的是讓人在使用機(jī)械的過(guò)程中感到“安全、健康、舒適、高效”[1]。經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的積累，汽車(chē)設(shè)計(jì)已形成固定流程，不但包含設(shè)計(jì)模型，還包括前期市場(chǎng)調(diào)研、需求分析、工程及產(chǎn)品投放后的反饋。需要對(duì)各種因素進(jìn)行綜合考慮并不斷完善產(chǎn)品，最終獲得良好的用戶(hù)體驗(yàn)[2]。

1 賽車(chē)座椅人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

汽車(chē)駕駛室座椅的設(shè)計(jì)屬于汽車(chē)駕駛室設(shè)計(jì)中的主要部分，座椅特性的好壞直接影響駕駛員的工作狀態(tài)，影響到駕駛安全[3]。賽車(chē)座椅人機(jī)設(shè)計(jì)原則要求遵循安全性原則、精準(zhǔn)性原則、舒適性原則、美觀性原則[4]。如果賽車(chē)座椅性能不達(dá)標(biāo)，駕駛過(guò)程中車(chē)手的姿態(tài)會(huì)受到極大干擾，進(jìn)而影響到駕駛安全。所以座椅的包裹性是否優(yōu)秀是衡量賽車(chē)座椅安全性的重要指標(biāo)。本文的目的是設(shè)計(jì)出一款輕量化、符合人體工程學(xué)的賽車(chē)座椅并進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 坐姿及座椅參數(shù)分析

1.2.1 人體舒適坐姿角度

通常情況下，最舒適的坐姿可以描述為上手臂與豎直線夾角θ1為15°～35°，靠背與豎直線夾角θ2為10°～20°，上手臂與前手臂夾角θ3為15°～35°，體腿夾角θ4為90°～115°，大腿與小腿夾角θ5為100°～120°，腳面與小腿夾角θ6為85°～95°。如圖1所示[5]。

圖1 人體舒適坐姿角度圖

1.2.2 座椅主要參數(shù)

根據(jù)人體的結(jié)構(gòu)，結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《工作座椅一般人類(lèi)功效學(xué)要求》（GB/T 14774—1993），座高為360～480 mm、座寬為370～420 mm、座深為369～390 mm。其中，座高為坐面前緣起拱處最高點(diǎn)與座椅支點(diǎn)所在水平基準(zhǔn)面之間的垂直距離；座寬為坐面左右邊緣間通過(guò)座椅轉(zhuǎn)動(dòng)軸與坐面交點(diǎn)處且垂直于左右對(duì)稱(chēng)面的水平距離（無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的座椅，該參數(shù)在坐面深度方向二分之一處測(cè)量）；座深為在與座寬相垂直的對(duì)稱(chēng)面內(nèi)，坐面前緣與過(guò)腰靠支撐點(diǎn)所引垂線間的水平距離；座椅的靠背夾角也要進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，夾角過(guò)小會(huì)壓迫脊椎影響駕駛員的健康，夾角過(guò)大又會(huì)使駕駛視野變狹窄。

2 建模及靜力學(xué)分析

2.1 UG建立賽車(chē)座椅模型

在UG建模界面中建立座寬為420 mm，座高 為460 mm，座深為380 mm，夾角為100°的座椅，側(cè)包圍保護(hù)部分的偏轉(zhuǎn)角為140°。利用該參數(shù)設(shè)計(jì)出的座椅，對(duì)腿部的承托效果良好，貼合人體背部與臀部，包裹性?xún)?yōu)秀，同時(shí)駕駛員在乘坐時(shí)坐姿舒適、駕駛時(shí)視野寬廣，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和人機(jī)工程學(xué)原理。座椅如圖2所示，座椅吊耳如圖3所示。

圖3 吊耳模型圖

2.2 ANSYS Workbench有限元分析座椅

2.2.1 網(wǎng)格劃分

在ANSYS中，合理的網(wǎng)格劃分在一定程度決定解算結(jié)果的精度以及運(yùn)算速度，所以需要對(duì)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格類(lèi)型和網(wǎng)格大小的精確選擇，并在應(yīng)力集中處進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，來(lái)提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量。ANSYS Workbench中自動(dòng)生成的網(wǎng)格質(zhì)量較差，結(jié)果誤差較大，不適用于復(fù)雜曲面結(jié)合體的分析，故將吊耳與座椅拆分，采用四面體的方法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。使截面變化或其他易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位網(wǎng)格劃分得較密，而其他不重要的部分劃分較為稀疏一些，最后獲取網(wǎng)格劃分模型[6]，如圖4所示。

圖4 座椅網(wǎng)格劃分圖

2.2.2 靜力學(xué)分析

在靜態(tài)結(jié)構(gòu)中選取丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS）塑料為材料，輸入?yún)?shù)：密度為1.18 g/cm3，彈性模量為2 GPa，泊松比為0.394，抗拉強(qiáng)度為80 MPa，屈服強(qiáng)度為6000 MPa。一個(gè)正常成年男性的體重約為75 kg，為測(cè)試該座椅的極限性能，選取體重為90 kg的對(duì)象為試驗(yàn)樣本。進(jìn)行分析，創(chuàng)建接觸（座椅和吊耳），接觸容差為0.1 mm，創(chuàng)建自動(dòng)的連接接觸，將接觸類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ两佑|，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2，之后添加吊耳的固定支撐。添加載荷，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)，臀部應(yīng)充分貼合座椅，故座椅底部添加750 N的力，靠背部添加200 N的力，側(cè)包圍部分只起約束作用，添加25～50 N不等的力，之后進(jìn)行求解。變形和應(yīng)力云圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 座椅變形云圖

圖6 座椅應(yīng)力云圖

由表1座椅形變數(shù)據(jù)和表2座椅應(yīng)力數(shù)據(jù)可知，主要的變形點(diǎn)集中在肩部和側(cè)包圍的著力點(diǎn)處，從應(yīng)力圖中得知，臀部著力點(diǎn)所受應(yīng)力最大，在上述附加條件下，座椅的最大應(yīng)力為105.84 MPa，最大變形處高達(dá)25.72 mm，不符合5 mm的目標(biāo)形變值。

表1 座椅形變數(shù)據(jù)

表2 座椅應(yīng)力數(shù)據(jù)

由物理性能，求解ABS塑料材質(zhì)下踏板的安全因子為

式中，σb為材料斷裂時(shí)的極限強(qiáng)度，MPa；n為材料構(gòu)件的安全因子；σ為材料應(yīng)力，MPa。

ABS工程塑料安全系數(shù)取2.5，計(jì)算得到材料的安全因子為1.98，不在合理范圍內(nèi)，該種情況說(shuō)明座椅的設(shè)計(jì)存在嚴(yán)重缺陷，要針對(duì)仿真結(jié)果對(duì)選材和座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。

2.2.3 賽車(chē)座椅仿真優(yōu)化

材質(zhì)選用ABS工程塑料，座椅雖形變過(guò)大但在實(shí)際情況下也可以進(jìn)行正常使用。不過(guò)ABS工程塑料的阻燃性能較差，且抗扭抗拉能力較差，故考慮對(duì)材料進(jìn)行更換。碳纖維復(fù)合材料因具有優(yōu)異的材料特性（低密度、比強(qiáng)度高及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等）而廣泛應(yīng)用于汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)[7]。選用碳纖維為改善材料，將受力分散區(qū)域的厚度減少了 1 mm以節(jié)省材料；根據(jù)人機(jī)工程學(xué)結(jié)合圖像，腰部基本沒(méi)有受力，缺乏支撐，將腰部進(jìn)行收緊以增強(qiáng)貼合效果增強(qiáng)包裹性；臀部應(yīng)力較大，將面積加大，使駕駛員坐姿更加舒適寬敞；然后把臀部和側(cè)包圍部分加厚0.5 mm，應(yīng)力集中處在制作時(shí)加入強(qiáng)芯氈以增加強(qiáng)度。之后輸入?yún)?shù)：密度為1.50 g/cm3，彈性模量為300 GPa，泊松比為0.307，抗拉強(qiáng)度為4900 MPa，碳纖維材料實(shí)際上沒(méi)有屈服強(qiáng)度。分析得出的變形和應(yīng)力云圖如圖7和圖8所示。

圖7 優(yōu)化后的座椅變形云圖

圖8 優(yōu)化后的座椅應(yīng)力云圖

由變形云圖和表3、表4數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化后的賽車(chē)座椅最大形變處為3.5217 mm，平均形變量 為0.7749 mm，最大應(yīng)力處為170.94 MPa，平均應(yīng)力為42.538 MPa。結(jié)果表明，在臀部與背部出現(xiàn)了最大應(yīng)力處，最大應(yīng)力小于極限抗拉強(qiáng)度 4900 MPa和極限抗壓強(qiáng)度3500 MPa；碳纖維安全系數(shù)為3，計(jì)算安全系數(shù)等于3.015，在合理范圍內(nèi)；符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，家具力學(xué)性能試驗(yàn)椅凳類(lèi)穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)；質(zhì)量從2.714 kg減輕到了2.313 kg。通過(guò)表5可以得出該座椅設(shè)計(jì)的較優(yōu)結(jié)果。

表3 優(yōu)化后的座椅形變數(shù)據(jù)

表4 優(yōu)化后的座椅應(yīng)力數(shù)據(jù)

表5 兩種材質(zhì)座椅應(yīng)力應(yīng)變對(duì)照表

3 小結(jié)

綜上所述，根據(jù)人機(jī)學(xué)以及有限元分析得出，在座椅所受應(yīng)力較小的位置應(yīng)減薄壁厚以達(dá)到節(jié)省材料減輕重量的目的，集中一些的受力位置應(yīng)增加壁厚，同時(shí)在結(jié)構(gòu)上增加受力面積來(lái)分散力的作用以減小應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)輕量化和高強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)座椅的過(guò)程中，要充分應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)原理，掌握各種試驗(yàn)方法，熟練運(yùn)用分析軟件，熟悉材料性質(zhì)，重點(diǎn)考慮應(yīng)力集中處并作出優(yōu)化余量。