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改善座椅热舒适性的加热座椅仿真研究

AutoNewTech

2023-12-28

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汽车HVAC系统是负责控制和维持车辆乘员的热舒适性的主要系统。然而，车辆座椅的热传递在热体验中起重要作用，这是由于其与就座乘员的接近度和大的接触面积。这种接触不仅使乘员暴露于座椅的当前热条件，而且还倾向于将受影响的身体区域与HVAC系统提供的气候控制的空气隔离。

为了提高客户满意度并改善热舒适性，气候控制部件通常被添加到座椅，例如加热元件或通风管道，以补充HVAC系统，实际上，将座椅转变为辅助热控制系统。这种设计方法具有通过更好地将热能引导到乘员/从乘员引导热能并降低HVAC的能量需求来提高车辆的燃料效率的潜在益处。

优化气候座椅系统以充分受益于这种次级热系统需要增加座椅设计的复杂性，这反过来又驱动了对更详细的热模拟方法的需求。本文介绍了模型开发的考虑因素和结果的热模拟，旨在提高热座椅舒适性的经验和能源使用的加热座椅系统。模拟的具体目标是：确定改善身体和座椅之间热交换和感觉的机会；比较不同设计条件之间的热趋势。

背景

热舒适问题的核心是环境与人体之间的热交换的函数。这种交换主要通过与环境空气的对流、与接触表面的传导、汗液从身体的蒸发以及到附近材料的辐射热损失或从附近材料获得的辐射热而发生。

从这些方面考虑，座椅只是环境的一部分。就座接触面积与热环境的其他部分之间的差异是车辆座椅倾向于具有与人体的较大接触表面积。这些接触表面增加了局部传导并减少了产生局部微气候的对流。参见图1。

图1 座椅热交换实例

这些微气候和周围环境由居住者通过神经元体验，神经元感测周围组织中的热变化。身体利用这些信息来调节热交换，通过收缩或增加流向四肢的血液，颤抖以在组织中产生热量，并产生汗液以通过蒸发增加冷却。

热感觉最重要的方面是它在整个身体中变化，并且随着身体适应环境，局部热调节发生变化。因此，从坐着产生的微气候的感知将在整个身体上被不同地感知，并且随着身体的适应而改变。

方法

这个高度复杂的系统的模拟被用来识别的机会，以提高居住者的热舒适性和优化能量消耗。该模拟基于ThermoAnalytics的RadTherm模型、RadTherm的人体热模型和加州大学伯克利分校的热舒适模型。

RadTherm是一种通用的热分析工具，用于模拟座椅、乘员和环境之间的传导、对流和辐射。RadTherm的人体热模块被用来预测生理效应，包括代谢热、体温调节等。伯克利热舒适模型被用来预测局部和整体感知的热感觉和舒适度。

伯克利模型区分16个局部身体区域在静态，瞬态，和局部加热/冷却的情况。输出涉及2个概念的主观评级：局部身体部位和整个身体的热感觉和热舒适性。(见图2）在这个模型中，感觉与“身体部位感觉到有多热或多冷”相关，而舒适度与“感觉使人感觉良好或不好”相关。

图2.伯克利热舒适模型

挑战在于如何建立和应用这些用于热传递和全身热舒适性的通用模拟模型，以更直接地针对座椅热舒适性。

座椅-压缩形状

这次模拟选择的座位是现代索纳塔。对于此模拟，模型仅需要座椅A表面（顶部座椅表面）、泡沫垫和部分框架。座椅骨架不包括在模拟中，仅用于定义座椅变形的止回器。在CAD中删除了与热分析无关的小型紧固件、电缆和其他部件。对最终座位数据进行网格化并导出到ANSA中。

下一步是修改3D几何结构，以表示在加载、压缩条件下部件的形状。出于本模拟的目的，确定SAE H点人体模型的Sonata设计穿透作为可重复的、有意义的比较指标是可接受的。虽然H点设计装置不代表任何单个乘员，但其具有提供对目标偏转性能有意义的可重复接触形状和姿势的益处。

这是通过将位于设计坐标处的H点表面几何体导入ANSA来完成的。然后使用ANSA中的去穿透工具使座椅罩变形以匹配H点表面几何形状。(见图3和4）然后使用ANSA直接变形来去穿透泡沫垫以配合变形的座椅套。

下一步是在装饰盖和泡沫垫之间添加加热元件。元素路径被跟踪并投影到ANSA中的表面上。然后使用直接变形将元件装配到座椅罩。使用导线的直径完成最终元素路径。该压缩形状对于模拟至关重要，因为它确定了与主体进行热传导的接触点，并且还确定了从未压缩状态到实际加载条件的组件密度变化。

图3.座椅靠背和H点壳体合并。

图4.最后压缩后的座椅靠背。

测试人体模型-乘员尺寸和姿势

选择中等尺寸的男性人体模型作为三维人体的初始基础。这种体型在业内相当典型，它也与SAEH点装置的重量和用于设置承载座椅形状的臀部宽度非常匹配。原始几何结构是在POSER中使用1699mm的高度创建的。POSER是一种商业软件，通常用于人体的3D建模。然后根据H点设计标准（设计大腿角度、躯干角度和地板高度）对人体模型进行定位和姿势。

然后将人体模型网格导入到ANSA中，人体模型的背部和臀部形状被变形以更精确地拟合SAE H点表面。(见图5）在本研究中使用了H点信息，因为它提供了已知的偏转目标（设计OSACR参考），而不是必须估计特定尺寸和重量主体的偏转和接触面积。最后，人体模型被分成局部化热建模所需的各个部分。(见图6）