Ⅱ摘要由于科學技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)力的提高，大家對汽車座椅的乘坐舒適性及安全性等方面的要求也越來越高。在過去，技術(shù)比較落后，長期存在缺乏自主研發(fā)能力導致了一系列問題，例如安全性，舒適性；這些問題在設(shè)計中必須將人的因素貫穿在整個設(shè)計的始終。并為解決上述這些座椅存在的問題，本文擬采用觀察法和實驗法來進行研究，本文研究了人的坐姿舒適度及生理特性，研究了人與座椅的人機關(guān)系在這一基礎(chǔ)上，進行了座椅設(shè)計研究的實習，結(jié)合我國汽車座椅的設(shè)計和使用現(xiàn)狀對汽車座椅進行了綜合研究，重點對人機工程和座椅強度進行了研究。研究結(jié)果確定了座椅設(shè)計的各項參數(shù)與要求。特別是座椅尺寸與人體尺寸之間的關(guān)系。期望能夠促進汽車座椅的安全性和舒適性發(fā)展，推動座椅研究繼續(xù)向好的方向發(fā)展，為大家的出行提供更加好的體驗。關(guān)鍵詞：座椅；人體尺寸；坐姿；舒適性，強度ABSTRACTWith

the

development

of

science

and

technology

and

the

improvement

of

productivity,

people

have

higher

and

higher

requirements

for

the

comfort

and

safety

of

car

seats.

In

the

past,

the

technology

was

relatively

backward,

and

the

longterm

lack

of

independent

research

and

development

ability

led

to

a

series

of

problems,

such

as

safety

and

comfort;

these

problems

must

carry

human

factors

throughout

the

whole

design.

And

in

order

to

solve

the

problems

existing

in

the

abovementioned

seats,

this

article

intends

to

use

observation

and

experimental

methods

to

carry

out

research.

This

article

studies

the

comfort

and

physiological

characteristics

of

people's

sitting

posture,

and

studies

the

manmachine

relationship

between

people

and

seats.

On

this

basis,

the

internship

of

seat

design

research

is

carried

out,

combined

with

the

design

and

use

of

car

seats

in

China.

The

car

seat

has

been

comprehensively

studied,

focussing

on

ergonomics

and

seat

strength.

The

research

results

determine

the

various

strength

parameters

of

the

seat

and

highlight

the

correlation

between

the

seat

size

design

and

the

human

body

size.

It

is

expected

to

promote

the

development

of

the

safety

and

comfort

of

the

car

seat

and

promote

the

continued

development

of

seat

research

in

a

good

direction.KeyWords：Seat;humanbodysize;Sittingposture;strength緒論乃于今日之世，汽車座椅之于汽車之地位，實可謂重矣。其為汽車之基本構(gòu)成更是關(guān)乎乘員安全之重要組件。在車內(nèi)，座椅猶如橋梁，將人體與車身緊密相連既關(guān)乎乘員之舒適體驗，又決定其安全與否?；厮輾v史之河，于一八八六年，德國之戴姆勒乃創(chuàng)制出首個汽車座椅，其座墊內(nèi)填以棉花等柔軟物料，靠背則以木板與木條精心構(gòu)筑。歲月流轉(zhuǎn)，百有余載，隨著汽車的發(fā)展和人們要求的不斷提高，汽車座椅已不再是單純滿足乘坐和美觀需要的車身部件，而是關(guān)系到汽車的駕乘舒適性和安全性[1]。如今，汽車座椅早已超越簡單的乘坐與外觀功能，它融合了人機工程學、機械振動以及控制工程等多學科智慧。設(shè)計師們不僅在材料上進行革新，更在結(jié)構(gòu)和功能上進行深入優(yōu)化，旨在創(chuàng)造更加貼合人體曲線的座墊與靠背，使駕駛者和乘客能享受更加舒適、安全的旅程。由此可見，汽車座椅不僅僅是汽車的一個重要組成部分，更是體現(xiàn)汽車科技與人文關(guān)懷的完美結(jié)合。中國汽車行業(yè)的迅猛擴張正引領(lǐng)著市場需求不斷增長，人們對汽車的需求已超越了單純的出行功能，而是轉(zhuǎn)向更高層次的乘坐體驗與安全保障。其中，汽車座椅作為車內(nèi)重要的內(nèi)飾部分，不僅承載著乘員的體重，更承載著為他們創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)乘車環(huán)境的重要使命。如今，座椅設(shè)計已得到汽車業(yè)界的廣泛關(guān)注。我國政府也將汽車座椅列為重點發(fā)展的零部件之一，足以見其重要性。汽車座椅不僅要堅固耐用，更要能夠有效緩解來自車身的振動和沖擊，為乘員營造一個平穩(wěn)、寧靜的乘車環(huán)境。同時，座椅的舒適度、安全性以及操作便捷性，都對整車的性能和乘員的體驗產(chǎn)生深遠影響。因此，在汽車座椅的設(shè)計研發(fā)過程中，我們必須從多個角度進行全面、深入的考量，確保最終的產(chǎn)品能夠滿足廣大消費者的多種需求，真正實現(xiàn)舒適性與安全性的完美結(jié)合。這樣，我們才能不斷推動中國汽車工業(yè)的發(fā)展，為公眾帶來更加優(yōu)質(zhì)、舒適的乘車體驗。汽車座椅作為連接乘客與車輛的關(guān)鍵組件，其性能指標對于確保乘客的安全和舒適至關(guān)重要。本研究聚焦于座椅結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化，通過運用先進的三維建模軟件，精確制作了座椅的三維實體模型。研究通過廣泛查閱文獻，深化了對座椅設(shè)計核心概念的理解，并精通了靠背與坐墊的骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計。我們基于人機工程學的原則，綜合考慮了乘員的安全性與舒適性，科學地確定了座椅的各項結(jié)構(gòu)尺寸。此項工作不僅展示了座椅設(shè)計的新思路和方法，還對提升車輛乘坐的整體體驗具有重要意義。再通過有限元分析對設(shè)計的三維模型進行靜強度和模態(tài)分析[2]。1.1引言本課題的內(nèi)容可以歸納為以下幾個方面:在汽車座椅設(shè)計領(lǐng)域，首先需通過廣泛閱讀相關(guān)文獻深入理解各種材料屬性。接著，對座椅的性能進行全面研究和細致分析。設(shè)計階段，需要創(chuàng)建座椅骨架總成，隨后利用現(xiàn)代技術(shù)繪制三維實體模型。此外，依據(jù)國內(nèi)外座椅系統(tǒng)強度法規(guī)，對骨架進行嚴格強度分析。最后，進行方案優(yōu)化與結(jié)果比較，確保設(shè)計創(chuàng)新同時滿足安全標準。1.2汽車座椅技術(shù)概述汽車座椅設(shè)計是一門集多學科于一體的綜合性工程技術(shù)。在設(shè)計過程中，必須依托人機工程學的原理，全方位考慮座椅的舒適度、減震性能和安全性。同時，設(shè)計師需精確分析人體的生理特征和體型尺寸，并進行個性化定制，以確保乘坐體驗的最優(yōu)化。各相關(guān)學科如機械工程、化工、紡織科技、表面處理以及美學等的融合應(yīng)用，是設(shè)計出符合現(xiàn)代需求的高質(zhì)量汽車座椅的關(guān)鍵[3]。1.3研究的主要內(nèi)容及意義1.3.1研究的主要內(nèi)容首先，在中國知網(wǎng)等文獻平臺上大量尋找與本次論題有相關(guān)聯(lián)的文獻，要求對汽車座椅有一定的了解；其次，通過各種國標文件研究汽車座椅的各方面的性能與規(guī)定要求；接著，對汽車的座椅骨架總成進行cad三維模型設(shè)計與建模；再然后繪制汽車座椅的三維實體模型；最后，參考各類文件，對座椅骨架的強度進行靜強度和自由模態(tài)分析與優(yōu)化[4]。1.3.2研究的主要意義本課題研究的重要性在于：隨著汽車走進家庭，人們對汽車的情感和需求不斷變化，座椅作為人與汽車的接觸界面，是消費者選擇汽車時首要考慮的因素，因此座椅設(shè)計必須緊跟時代需求[5]。在當代社會，隨著出行頻率的提升，汽車已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠帧Ｒ虼耍囎蔚脑O(shè)計不僅需關(guān)注安全性，更應(yīng)考慮其對乘客特別是脊椎健康的影響。長時間駕駛或乘坐可能導致脊椎疲勞甚至損傷，這從人體工程學角度看迫切需要通過科學設(shè)計改善座椅的人體適應(yīng)性和安全防護能力。從經(jīng)濟與技術(shù)發(fā)展的視角審視，汽車產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷一場向數(shù)字化轉(zhuǎn)型的革新。隨著計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助工程（CAE）及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）技術(shù)的應(yīng)用，傳統(tǒng)的實物模型正逐步被高效的數(shù)字模型替代。這種變革不僅加速了汽車的設(shè)計開發(fā)流程，還實現(xiàn)了跨學科的集成與優(yōu)化，顯著縮短了產(chǎn)品從設(shè)計到市場的周期。在這一大背景下，汽車座椅設(shè)計也應(yīng)順應(yīng)潮流，利用先進的數(shù)碼技術(shù)和虛擬實驗方法，推動設(shè)計過程的精準化和高效化。通過這些技術(shù)的整合運用，能夠在保證乘車安全的同時，提升座椅的舒適度與健康標準。這不僅是汽車設(shè)計領(lǐng)域的重要創(chuàng)新方向，也是對未來汽車產(chǎn)業(yè)責任與擔當?shù)捏w現(xiàn)[6]。本文研究對提升汽車座椅的安全性和舒適性至關(guān)重要。1.4汽車座椅的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢目前汽車座椅在國際上的發(fā)展趨勢：在現(xiàn)代汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展中，座椅作為汽車內(nèi)部配置的關(guān)鍵組成部分，其功能性、舒適性以及安全性的要求不斷提高。本文將針對目前汽車座椅技術(shù)的幾種重要發(fā)展趨勢進行闡述。首先，電動座椅技術(shù)通過將傳統(tǒng)的手動調(diào)節(jié)機構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱涌刂品绞?，極大地增強了操作的便捷性與精確性。這一技術(shù)使得駕駛員可以通過簡單按鍵，實現(xiàn)座椅在多個方向的精細調(diào)整，包括前后移動、高低調(diào)節(jié)及傾角改變，從而快速找到最符合個體需求的座位位置[7]。接著，懸掛座椅的引入有效緩解了行駛過程中的顛簸感受。通過在座椅和車體之間加裝懸掛系統(tǒng)，不僅提高了舒適度，還有助于減少長時間駕駛所帶來的疲勞。此種座椅的關(guān)鍵在于其內(nèi)置的緩沖與減震元件，如鋼板彈簧和螺旋彈簧，它們協(xié)同作用，有效吸收行駛中的震動[8]。另外，記憶座椅的出現(xiàn)則是智能技術(shù)與汽車座椅結(jié)合的典范。該技術(shù)通過微機控制，不僅能夠存儲并回調(diào)乘員的座椅位置設(shè)置，而且在再次駕駛時能自動調(diào)整座椅至最佳狀態(tài)，省去了重復調(diào)整的麻煩，顯著提升了使用者體驗。輕量化座椅技術(shù)則通過材料革新與設(shè)計優(yōu)化大幅減輕了座椅的重量，這不僅對提升燃油效率有積極影響，同時也增加了車內(nèi)可利用空間。采用先進的鋁材壓鑄工藝和高強度鋼材，配合新型網(wǎng)狀材料，輕量化座椅在確保安全的前提下，實現(xiàn)了重量與體積的極致縮減[9]。安全座椅或稱動態(tài)座椅更是在主動安全技術(shù)上的一大突破。例如，某些高端車型已配備的座椅，在遭遇追尾碰撞時能夠動態(tài)調(diào)整座椅結(jié)構(gòu)，以保護乘員頭頸安全。這種座椅的設(shè)計理念是在極端條件下通過座椅的移動來分散碰撞力，保障乘員的最大安全[10]。綜合來看，隨著科技的不斷進步，未來汽車座椅將更多地融入高科技元素，無論是在材料應(yīng)用，還是在智能化、個性化服務(wù)方面都將有更大的發(fā)展。環(huán)保材料的運用及智能化控制系統(tǒng)的完善，預示著汽車座椅技術(shù)將向著更加人性化、安全化和環(huán)?；姆较虬l(fā)展。2汽車座椅的設(shè)計要求2.1汽車座椅的概述（1）汽車座椅作為乘員與車身的紐帶，其主要職責在于提供支撐，確保乘坐舒適及行駛平穩(wěn)，同時優(yōu)化駕駛員的坐姿，增強視野及操控效果、創(chuàng)造舒適乘坐環(huán)境、最大限度保護乘員安全。因此，座椅的安全性和舒適性至關(guān)重要，是設(shè)計與研發(fā)必須優(yōu)先考慮的關(guān)鍵問題[11]。（2）汽車座椅在車輛中扮演著至關(guān)重要的角色，直接影響駕駛體驗。優(yōu)質(zhì)座椅能讓駕駛更輕松便利，減輕長途駕駛疲勞[12]。座椅在傳遞路線中扮演重要角色：路面激勵傳至人體的路徑是路面→輪胎→懸架→車身→座椅→人體。座椅與懸架共同緩沖激勵，因此被稱為汽車上的“第二懸架”[13]。這解釋了座椅對乘駕體驗的巨大影響。（3）汽車座椅的安全性對于預防事故和減輕乘員傷害至關(guān)重要。在碰撞事故中汽車座椅設(shè)計兼顧主動與被動安全性，對提升行車安全至關(guān)重要。主動安全性方面座椅，需保證駕駛員在駕駛過程中保持最佳的視野和控制位置，此外，良好的座椅系統(tǒng)的設(shè)計能改善駕駛員視野、駕駛員定位，從而間接降低事故發(fā)生的可能性[14]。在被動安全性層面，現(xiàn)代座椅設(shè)計要求具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)強度和剛性，能夠在碰撞時與安全帶及氣囊等保護設(shè)備協(xié)同作用，有效緩解沖擊力，極大地降低乘客受傷的風險。因此，一個合理的座椅設(shè)計不僅僅是提供舒適感，更是減少事故傷害和提升駕駛安全性的關(guān)鍵因素[15]。一些高檔車型已經(jīng)開始采用這種帶有座椅側(cè)面安全氣囊的座椅，進一步提高乘員的安全保護[16]。如圖2-1所示：圖2-1側(cè)面安全氣囊座椅（4）現(xiàn)代汽車工程中，乘坐舒適性的提升被視為關(guān)鍵研究領(lǐng)域。其中，座椅的舒適性尤為重要，它主要涵蓋三個層面：靜態(tài)舒適性、動態(tài)舒適性以及操作舒適性[17]。靜態(tài)舒適性關(guān)注座椅在停車狀態(tài)時為駕乘者提供的支持和舒適，這與座椅的尺寸、材質(zhì)和調(diào)節(jié)機制密切相關(guān)。[18]動態(tài)舒適性則涉及到汽車行駛過程中，座椅如何有效地吸收并減緩振動，以保護人體不受沖擊和不適。操作舒適性指的是駕駛員在進行日常駕駛操作時（如轉(zhuǎn)動方向盤），座椅及車內(nèi)其他部件的布局如何提供必要的支持和便利[19]。這三方面的綜合考量，不僅提升了駕乘體驗，也是汽車設(shè)計中不可或缺的一環(huán)。（5）在構(gòu)造上，汽車座椅主要由頭枕、靠背、調(diào)整機構(gòu)及座盆等幾個部分組合而成，其中隱藏著多項精密技術(shù)。座椅框架，作為其中的骨干，分為靠背框架與座盆框架，以鋼材為主，采用高強度沖壓焊接工藝精制，并通過精確的定位與牢固的連接確保其穩(wěn)固性。此外，座椅的可調(diào)節(jié)性也是其功能性的體現(xiàn)，例如行程調(diào)節(jié)裝置能夠精確控制座椅在車內(nèi)的空間位置，而靠背角度的調(diào)節(jié)則進一步提升了駕駛和乘坐時的體驗[20]。其中座椅行程調(diào)節(jié)裝置是安裝在座盆骨架和地板之間，調(diào)節(jié)座椅與地板的前后和上下位置的機械裝置?？勘辰嵌日{(diào)節(jié)裝置安裝在座盆骨架和靠背骨架之間，是用來調(diào)節(jié)座椅靠背角度的機械裝置。如下圖2-2所示，在此復雜的構(gòu)造中，每一細節(jié)的設(shè)計都緊扣著人的需求，無論是材料的選取，還是連接的方式，抑或是機械裝置的配備，均須嚴謹考量，以求達到人車合一的最優(yōu)化狀態(tài)。汽車座椅已經(jīng)不僅僅是汽車的組成部分，而是兼顧科技與人文的結(jié)晶點，其發(fā)展的每一步都折射出科技進步與人類文明的相互成就[[21]。圖2-2座椅骨架結(jié)構(gòu)示意圖2.2汽車座椅的設(shè)計要求針對汽車座椅的功能和性能，我們需要滿足以下設(shè)計要求：座椅的尺寸和形狀應(yīng)符合人體工程學，符合國家標準，并具有可調(diào)節(jié)性以確保乘坐舒適。（2）座椅需要具備良好的動態(tài)舒適性，能夠減緩和吸收車身傳來的沖擊和振動使駕駛員在各種道路條件下長時間駕駛不感到疲勞，同時讓乘客感到舒適。（3）座椅必須具備足夠的強度和剛度，保證長期使用壽命，并在發(fā)生事故時盡量減少乘員受傷，確保座椅的安全性。（4）制造工藝應(yīng)簡單，質(zhì)量穩(wěn)定，成本控制在合理范圍內(nèi)。（5）座椅設(shè)計應(yīng)確保駕駛員視野良好，操作方便，座椅調(diào)節(jié)靈活輕便。（6）座椅的外觀和色彩應(yīng)與車身內(nèi)飾和整車外觀相協(xié)調(diào)，美觀大方。（7）座椅的布置和性能需符合車輛的使用目的和整體設(shè)計要求，與車輛的功能和風格相匹配。2.2.1汽車座椅設(shè)計的基本原則（1）坐姿與座椅：坐姿是指人在自然狀態(tài)下的自然姿勢，由于人的生活與座椅的生活有著密切的聯(lián)系，不僅可以用于學習，工作，或者是休息。人體的坐姿復雜有骨盆、脊椎、坐骨等支撐身體，而長期不良坐姿或受傷可導致脊柱問題。坐姿不良時骨盆易下陷，可能引發(fā)腰疼、駝背等問題。長時間不良坐姿，例如久坐電腦前的話容易導致腰背疼痛。頭部前傾會導致頸背肌肉酸痛，因肌肉長期暴露于拉力[22]。因此合理的坐姿對維護身體健康至關(guān)重要。圖2-3為模擬人體的坐姿數(shù)據(jù)：圖23模擬人體的坐姿數(shù)據(jù)（2）體壓分布與坐姿疲勞：坐態(tài)體壓分布乃指人體坐姿對椅面靠背之力學作用稱為坐態(tài)體壓分布，身體在坐姿狀態(tài)下對座面和靠背施加的壓力分布與座椅結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，也是研究座椅的重要參數(shù)。通過等高線測量展示體壓分布情況，骨盆負責承受身體75%的重量，主要通過坐骨支撐。座面應(yīng)設(shè)計成軟墊，支撐大部分重量，減輕坐骨壓力，延長舒適性。固定坐姿時間過長導致血液循環(huán)減慢、肌肉壓力疲勞，因此設(shè)計座椅需要考慮不同坐姿的可變性。身體與座椅壓力分布是舒適性關(guān)鍵因素，影響乘坐體驗。圖2-4為座椅部位的體壓分布：圖24座椅部位的體壓分布2.2.2汽車座椅設(shè)計的基本根據(jù)在當今汽車工業(yè)迅猛發(fā)展的背景下，座椅設(shè)計作為連接人與車的重要紐帶，其功能不僅僅局限于舒適性，更拓展到了安全、美觀和環(huán)保等多方面。在這里，我們將系統(tǒng)探討汽車座椅設(shè)計的幾個關(guān)鍵組成部分及其設(shè)計理念。首先，讓我們從靠背的設(shè)計談起。一個優(yōu)秀的靠背設(shè)計，不僅需要考慮到力學的合理性，還應(yīng)當在形態(tài)上順應(yīng)人體生理曲線。高度和形狀的恰當配置可以有效放松背部肌肉，同時提供必要的支撐，防止乘坐中由于車輛轉(zhuǎn)彎帶來的身體滑動。如此設(shè)計不但增進乘駕體驗，同時也鞏固了乘車的安全性。其次是座墊設(shè)計，這也是舒適性和支撐性的另一個關(guān)鍵點。座墊的深度和傾角應(yīng)該兼顧到臀部的承托與腳下力量的平衡，從而形成穩(wěn)定而放松的坐姿。正確的座墊設(shè)計不僅影響乘坐舒適度，還間接影響駕駛的疲勞程度和駕駛安全。頭枕設(shè)計則是安全性的體現(xiàn)。適當?shù)念^枕設(shè)置能夠在車輛發(fā)生碰撞時，有效減少頭部的位移，從而降低頸椎受傷的風險。頭枕的存在，是對乘客最直接的生命安全保護之一。接下來是座椅面套的考量，它直接接觸乘客，不僅要求具有優(yōu)良的阻燃性能還要符合國家標準GB8410-1994的規(guī)定，同時還應(yīng)反映出設(shè)計者的審美觀和功能性需求。面套的材質(zhì)和設(shè)計直接影響用戶的第一感受和持續(xù)體驗。至于泡沫軟墊，它則是舒適性與支撐性的基礎(chǔ)。通過使用不同密度的聚氨酯泡沫塑料，可以實現(xiàn)坐墊的“軟硬兼施”，這樣既保證了支撐力，又提供了足夠的舒適度。泡沫的選材和處理是提升整體乘坐體驗的關(guān)鍵。最后是座椅骨架的構(gòu)建，它直接關(guān)系到整個座椅的耐用性和安全性。骨架設(shè)計需符合GB15083-1994的嚴格要求，以確保座椅在承受各種壓力時的穩(wěn)定性和可靠性。通過上述綜合分析，我們不難看出，現(xiàn)代汽車座椅設(shè)計正趨向于多功能化和人性化，不僅僅是為了滿足基本的乘坐需求，更是從安全、美觀和環(huán)保等多維度進行深入思考和創(chuàng)新設(shè)計。這種設(shè)計理念的轉(zhuǎn)變，標志著汽車工業(yè)設(shè)計向更高層次的躍升，也預示著未來汽車座椅在智能化和個性化道路上的無限可能。2.2.3汽車座椅相關(guān)的法律法規(guī)GB10583汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法：對于M1類所有座椅的一般要求，每個調(diào)節(jié)裝置和移位裝置都應(yīng)具有的能自鎖的裝置。若座椅扶手或其他舒適性裝置在車輛發(fā)生碰撞事故時不會給車內(nèi)乘員帶來額外傷害,則不需要采用鎖止裝置。折疊座椅應(yīng)能夠自鎖在使用的位置上。對移位裝置,其解鎖裝置應(yīng)位于座椅外側(cè)接近車門處。即使對位于該座椅背后的乘員，確定的區(qū)域內(nèi)的座椅背面部件,按要求進行吸能性試驗時,頭型減速度大于80g的持續(xù)時間不應(yīng)超過3ms。同時,試驗過程中或試驗后不得有危險邊棱角出現(xiàn)。本要求不適用于最后排座椅、背對背安裝的座椅或滿足GB11552的座椅。座椅背面部件的表面不允許有任何可能會增加乘員傷害的凸起或尖梭。若按5.1規(guī)定的條件進行試驗,座椅背面部件的表面的曲率半徑應(yīng)不小于下列規(guī)定:（1）--區(qū)域1:2.5mm；（2）--區(qū)域2:5.0mm；（3）--區(qū)域3:3.2mm。試驗后，允許或有助于乘員通過的移位裝置應(yīng)處于工作狀態(tài)，對于帶有頭枕的座椅在進行試驗過程中或試驗后，如果座椅或座椅靠背不出現(xiàn)斷裂，則認為座椅靠背及其鎖止裝置的強度滿足規(guī)定；否則，應(yīng)進行固定裝置試驗，以檢查座椅靠背及其鎖止裝置的強度是否滿足該規(guī)定的要求。、試驗步驟，包括基準線投影在內(nèi)的所有線，均應(yīng)畫在該座椅或乘坐位置的垂直中心平面上。移位后的基準線是將相對R點產(chǎn)生向后373Nm力矩的初始作用力施加于GB11551-20中附錄A所述模擬人體模型靠背的部件上來確定。距離頭枕頂部向下65mm處，通過直徑為165mm的頭型，施加一個垂直于移位后的基準線的初始作用力，使其產(chǎn)生相對于R點373Nm的力矩。基準線應(yīng)處在規(guī)定的移位后的位置上。距離頭枕頂部下方65mm處，若有間隙存在而阻礙本條前述規(guī)定的作用力的施加，則可以減小該距離，以保證力的作用線通過最接近該間隙骨架的中心線對于所述情況，應(yīng)該使用直徑為165mm的頭型，對每個間隙重復進行試驗。作用力應(yīng)通過該間隙最小截面的重心，在平行于基準線的橫向平面上，產(chǎn)生相對于R點373Nm的力矩。確定與頭型相切并與移位后基準線平行的切線Y。測定用于規(guī)定的最大向后位移量X。X為切線Y與移位后基準線之間的距離。如果座椅或座椅靠背未出現(xiàn)斷裂則將規(guī)定的初始負荷增加到890N,以檢驗頭枕的有效性。3汽車座椅CATIA建模3.1CATIA的基本介紹CATIA作為領(lǐng)先的CAD/CAM/CAE/IPDM集成軟件平臺，其獨樹一幟的裝配草圖生成工具，支持欠約束草圖和連接定義，極大地便利了快速概念設(shè)計的實施。該軟件提供參數(shù)化建模、布爾操作以及圖形與數(shù)控加工間的數(shù)據(jù)雙向關(guān)聯(lián)，有效提升設(shè)計精確度與工作效率。更值得一提的是，CATIA不僅支持復雜的曲面設(shè)計與工具集成，還擁有強大的有限元分析功能，可以進行四維空間的全面觀察，甚至允許用戶模擬真人進行虛擬裝配，通過輸入人的特征來優(yōu)化裝配過程。這些先進的功能使得CATIA在眾多工業(yè)設(shè)計軟件中獨占鰲頭，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天和其他高端制造行業(yè)。3.2座椅骨架CAD三維模型建模（1）草圖設(shè)計:草圖設(shè)計模塊提供一種便捷方式，用戶能夠輕松創(chuàng)建工程圖樣整合文本、尺寸標注及客戶需求，方便地生成剖視圖與局部視圖等。如圖3-1所示：圖3SEQ圖\*ARABIC\s11草圖設(shè)計（2）自由外形設(shè)計:該模塊提供給設(shè)計師一系功能來實施產(chǎn)品外形定義及復雜的曲線和曲面定義。如圖3-2所示：圖3-2自由外形設(shè)計（3）裝配設(shè)計:裝配設(shè)計可以使設(shè)計師建立并管理機械零件的裝配。裝配件可以由多個主動或被動模型中的零件組成。零件觸自動地對連接進行定義，方便了CATIA運動機構(gòu)產(chǎn)品進行早期分析。如圖3-3所示：圖33裝配設(shè)計（4）構(gòu)建座椅骨架幾何模型：維實體模型對于仿真分析非常重要，一定要充分了解這形狀的這各種各樣的部分和這相對的位置，嚴格按照實際尺寸，根據(jù)以上操作先進行草圖繪制，再進入零件設(shè)計平臺進行基礎(chǔ)特征設(shè)計凸臺和凹槽以及肋再通過曲面設(shè)計和優(yōu)化裝配，最終可以得到繪制出的座椅骨架三維模型。如圖3-4：圖34座椅骨架三維模型（5）附加模型材料：對完成的座椅骨架模型附加鋼鐵材料，使其具有合格的質(zhì)量和特征。如圖3-5，3-6所示：圖35模型附加鋼鐵材料圖36模型的特征數(shù)據(jù)3.3座椅骨架的有限元建模有限元分析是用簡單問題替代復雜問題，通過逼近正確結(jié)果來解決復雜問題。盡管有些偏差，但結(jié)果仍接近正確解。有限元法可適用于各種復雜情形。在工程設(shè)計和科學研究中，有限元分析是一種重要且準確的工具。它給汽車工程師提供了一個現(xiàn)代的研制方法，使車輛工程師們足不出戶，就可以進行汽車制造研究的分析仿真，并且有著極高的準確度。該方法比傳統(tǒng)的方法具有高質(zhì)量、高數(shù)量的結(jié)果，具有計算速度快、精度高和經(jīng)濟的優(yōu)點。有效條件包括：有序管理，部門間協(xié)作，高效有限元程序系統(tǒng)利用，合理力學數(shù)學模型，并驗證與實驗結(jié)果的一致性[23]。ANSYS簡介：ANSYS作為ANSYS公司推出的力學分析巨擘，其在CAE行業(yè)的發(fā)展一日千里。該軟件兼容各主流CAD平臺，覆蓋結(jié)構(gòu)力學、流體動力、電磁場及聲學等多方面，已在核能、航空和汽車等關(guān)鍵行業(yè)中占據(jù)不可替代的地位。ANSYS是全球最流行的FEA軟件,其性能強勁,使用方便,被評為FEA年度最佳軟件。因其整體性能強勁、使用簡便,并在FEA年度評選中位居第五位。中國近百所科技大學使用ANSYS應(yīng)用程序進行有限元專業(yè)分析,或?qū)⑵溆米餍聵藴实慕虒W軟件，軟件主頁圖。如圖ANSYSworkbench工作界面3-7：圖3-7ANSYSworkbench工作界面（1）建立靜力學分析模塊：首先雙擊Toolbox下的Modal模塊，然后彈出對話框，在對話框中右鍵點擊Geometry，選擇ImportGeometry，然后在點擊Browse選擇之前轉(zhuǎn)換的文件。當該模塊變?yōu)閷磿r，證明已經(jīng)導入成功。如下圖3-8所示：圖3-8靜力學分析界面（2）設(shè)置材料屬性：進行材料屬性的設(shè)定，在骨架材料選擇上，材料的屬性影響著骨架的整體質(zhì)量，代表不同的泊松比，屈服強度，拉抗強度等，特別是材料屈服強度，要盡量多余骨架零部件的應(yīng)力值，避免零部件發(fā)生形變或直接裂開。對于所選材料的彈性模量是2E1011，所選材料的泊松比是0.3，材質(zhì)為45號鋼，通過所查的數(shù)據(jù)可得45號鋼的屈服強度為355MPa。使用鼠標左鍵點擊StaticStructural命令,等到出現(xiàn)靜力學分析模塊時，在點擊EngineeringData，在彈性模量一欄中輸入2E11,泊松比一欄中輸入0.3。如圖3-9所示：圖3-9設(shè)置材料屬性（3）進入前處理模塊：選取所需材料后，進入Mechanical模塊，調(diào)整“幾何結(jié)構(gòu)”下模型材質(zhì)。接著，訪問Model模塊進行前處理。如下圖的3-10所示：圖3-10進入前處理模塊（4）對模型進行劃分網(wǎng)格，這一步同樣是很重要的一個環(huán)節(jié)，網(wǎng)格劃分的均勻精度等，對骨架分析的精度計算有著很大關(guān)聯(lián)的影響。另外網(wǎng)格可以手動和自動劃分，而對于網(wǎng)格劃分由以下幾點問題：對于模型的網(wǎng)格劃分是非常重要的環(huán)節(jié)，網(wǎng)格的均勻性和精度直接影響骨架分析的計算精度。網(wǎng)格劃分可以手動或自動完成但是，劃分需考慮均勻性與精度的平衡確保準確的計算結(jié)果。在進行網(wǎng)格分割時，必須兼顧網(wǎng)格的數(shù)目和計算網(wǎng)格中的數(shù)目大小，使二者都能得到最優(yōu)解。網(wǎng)格疏密程度指各網(wǎng)孔大小及整體密度，在應(yīng)力分析中尤為關(guān)鍵。局部應(yīng)力集中區(qū)域可增加網(wǎng)格密度提高計算精度，同時減小計算費用。另外，還可大大有效的降低計算時間和費用，減小小部件和安全部件的網(wǎng)格密度。根據(jù)零件應(yīng)力需綜合考慮網(wǎng)格尺寸，以取得最佳平衡。在網(wǎng)格劃分時，應(yīng)根據(jù)元素應(yīng)力和復雜性選擇適當?shù)木W(wǎng)格類型。根據(jù)維度數(shù)量可分為不同類型，如二維平面通常使用三角形和四邊形。每種類型有相應(yīng)的質(zhì)量標準，如單元長度、捻度、翹曲系數(shù)、雅比等，以保證計算準確性。在三維中，除了二維網(wǎng)格外，還需考慮坍塌數(shù)值等因素。（5）施加約束載荷：最后一步，也是最重要的一步，就是在前面的章節(jié)中，計算出每一種情況下的受力，然后再根據(jù)不同的情況，對不同的情況下，限制的增大也會不同，在進行分析時，根據(jù)情況而定，并需要增加足夠的簡化分析和計算。設(shè)定Elementsize值為20mm，通過GenerateMesh進行模型網(wǎng)格劃分，獲得149997個節(jié)點和76854個單元。這一步至關(guān)重要，對模型的準確性和穩(wěn)定性具有關(guān)鍵意義。點擊Mesh和GenerateMesh。如下圖3-11所示：圖3-11劃分網(wǎng)格

4汽車座椅骨架結(jié)構(gòu)有限元分析在交通工具安全防護體系中，汽車座椅強度擔當著守護者的角色。它必須堅固以適應(yīng)行進間的各種載荷，從而極大降低旅途中乘客受傷的可能。座椅的設(shè)計壽命需長遠，以免因早期損毀對安全造成隱患。在承受沖擊時，座椅框架的完整性不容妥協(xié)，其不得發(fā)生斷裂或顯著變形。座椅的壽命應(yīng)長，避免過早損壞。在面對沖擊載荷時，座椅不應(yīng)斷裂或嚴重變形。汽車座椅強度可分為靜強度、沖擊強度和疲勞強度[24]。其中靜態(tài)強度顯得尤為重要，它依賴于座椅的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來保證。在恒定載荷作用下，座椅的軟墊元素影響較小，而座椅骨架的設(shè)計則是保障其靜態(tài)強度的核心，這直接關(guān)系到乘坐的安全及舒適度。4.1座椅骨架的靜強度座椅的靜強度汽車座椅承受的載荷在實際工況中非常復雜，很難在試驗室中再現(xiàn)，令汽車座椅強度研究頗為棘手[25]。為了捋順這層迷霧，工程師們傾向于靜態(tài)加載，將各種復雜工況抽象成極限載荷，以探究座椅的最大承載能力。眾多國家制定了座椅強度的標準化要求，從而在座椅靜強度的研究中，重點放在了骨架結(jié)構(gòu)與材料的選擇上?？萍嫉膭?chuàng)新永無止境，就如同分離式結(jié)構(gòu)在簡化載荷傳遞，增強靜態(tài)耐久性上的巧妙應(yīng)用，為整體約束式座椅的設(shè)計提供了新思路。設(shè)計師們運用精湛的技藝，在座椅骨架應(yīng)力分布的指導下，挑選最適宜的截面形態(tài)。輕巧而穩(wěn)固的異型截面薄壁桿件，或是強度與柔韌并存的復合材料，成為降低汽車座椅質(zhì)量的佳選。此外，鎂合金這一材料的巧妙運用，不僅保障了座椅的堅固度，更實現(xiàn)了重量減輕約40%的突破，無疑是輕量化道路上的重要一躍。4.1.1座椅骨架靜力學分析（1）先對模型進行邊界條件的設(shè)置，在實際工作中汽車座椅骨架的下面的固定住的，所以該位置的約束為固定約束，結(jié)果如下圖4-1所示：圖4-1施加固定約束（2）在實際的工作狀態(tài)下，理論一個成人重量為60Kg，模擬汽車座椅骨架受到3倍人體重量，則我們在汽車座椅上施加的重量的為1800N，分到座椅和后背的載荷結(jié)果如下圖4-2和圖4-3所示：圖4-2座椅施加載荷圖4-3靠背施加載荷（3）設(shè)置求解參數(shù)，選擇求解參數(shù)，并且將需要計算的物理量輸入進去，然后引入待分析物理指標：總位移、應(yīng)變及應(yīng)力；啟動求解，以繪制結(jié)果云圖以揭示材料響應(yīng)。圖4-4至4-7所示：圖4-4設(shè)置求解參數(shù)圖4-5位移云圖圖4-6應(yīng)變云圖圖4-7應(yīng)力云圖4.1.2靜力分析結(jié)果靜力分析不考慮結(jié)構(gòu)的慣性、阻尼等因素，研究在不同荷載下結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力狀況。本章針對座椅在不同工作狀態(tài)下的載荷受力情況進行靜力學分析，計算得出形變和應(yīng)力分布圖。這些圖可直觀展示座椅骨架不同部位受力情況，形變圖則展示不同部位的等效位移分布，通過顏色和圖像變化展現(xiàn)出座椅骨架各處的形變程度?；趫D4-5至4-6的數(shù)據(jù)，座椅骨架的最大應(yīng)力為111.61MPa，而該座椅骨架的材質(zhì)是碳素結(jié)構(gòu)鋼，其屈服強度為355MPa，座椅骨架的最大應(yīng)力應(yīng)小于其屈服強度。最大位移為0.73785mm，形變較小，符合要求。座椅骨架變形主要集中在連接位置上，連接部位的設(shè)計至關(guān)重要。強調(diào)連接點的強度是確保座椅骨架在工作中承受外力影響，實現(xiàn)穩(wěn)定安全性的關(guān)鍵。同時從計算云圖中可看出連接位置的變形最為明顯，離連接點越遠的地方變形較小，故連接部位置的設(shè)計具有特別重要性，要保證座椅骨架連接位置的強度，才能在實際工作中抵御外力對它的作用，使得座椅骨架更加安全、穩(wěn)定的工作[26]。4.2座椅骨架的模態(tài)分析模塊化分析是一種新的動態(tài)特征研究方法，可作為工程振動識別的新階段。模態(tài)指機械系統(tǒng)固有的頻率、阻尼比和振蕩類型，利用有限單元法獲取的解析程序為數(shù)值模型，通過振型參數(shù)識別生成的輸入輸出信號為試驗模態(tài)解析。組件模態(tài)分析可減少共振現(xiàn)象，使構(gòu)件以相應(yīng)頻率振蕩。深入研究可以了解結(jié)構(gòu)在不同動態(tài)載荷下的響應(yīng)，為其他動態(tài)分析提供依據(jù)。座椅骨架自振頻率若接近危險頻率，將產(chǎn)生共振破壞，導致應(yīng)力增大和斷裂，重要性不言而喻。模態(tài)分析對振動、噪聲、故障診斷等動力研究至關(guān)重要。在此研究中，選用ANSYS中的分塊法（Lanczos法）進行模態(tài)分析。這種方法在操作前期類似于靜力分析，需創(chuàng)建所需材料參數(shù)、密度等，設(shè)置網(wǎng)格尺寸為1mm。隨后進行自由模態(tài)分析，ANSYS還提供其他六種模態(tài)分析方法，包括子空間法、阻尼法等等。4.2.1座椅骨架的自由模態(tài)分析座椅骨架的自由模態(tài)分析是指在無約束條件下進行的模態(tài)分析，通過ANSYS插件Workbench對頻率和振型進行分析。對比結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，前6階頻率可以忽略，關(guān)注第7至第15階的頻率和振型。詳細數(shù)據(jù)見圖4-8至4-16。圖4-8自由模態(tài)7階振型圖4-9自由模態(tài)8階振型圖4-10自由模態(tài)9階振型圖4-11自由模態(tài)10階振型圖4-12自由模態(tài)11階振型圖4-13自由模態(tài)12階振型圖4-14自由模態(tài)13階振型圖4-15自由模態(tài)14階振型圖4-16自由模態(tài)15階振型4.2.2模態(tài)分析結(jié)果從以上圖中可以看出骨架的固有頻率，從七階到十五階逐步遞增，各階段固有頻率總結(jié)匯總為下表4-1骨架7-15階的自由模態(tài)頻率。表4-1骨架7-15階的自由模態(tài)頻率階次七階八階九階十階十一階十二階十三階十四階十五階固有頻率（HZ）35.8646.78106.73107.59125.36131.39133.43139.11198.55汽車行駛時，路面和車輛的振動頻率范圍在0.5~25Hz。座椅骨架和車輛間的垂直振動頻率在0~35Hz。根據(jù)結(jié)果，座椅骨架的自振頻率高于實際振動頻率，不存在諧振失效，符合設(shè)計要求。這意味著座椅骨架設(shè)計足夠穩(wěn)定，能夠有效應(yīng)對汽車在道路行駛過程中的振動影響。

5對座椅骨架進行分析及優(yōu)化5.1優(yōu)化前的分析結(jié)果根據(jù)圖5-1至圖5-3的結(jié)果顯示，座椅骨架的最大應(yīng)力為111.61MPa，材質(zhì)為碳素結(jié)構(gòu)鋼，其屈服強度為355MPa，最大應(yīng)力小于屈服強度。最大位移為0.73785mm，形變較小。這表明座椅骨架在受力下表現(xiàn)穩(wěn)定，符合強度要求。圖5-1位移云圖圖5-2應(yīng)變云圖圖5-3應(yīng)力云圖5.2優(yōu)化方案的確定根據(jù)分析結(jié)果可知，在座椅骨架連接處的應(yīng)力最大，所以需對連接處進行加強，將模型的座椅連接處增加兩根加強筋，以分解連接處的應(yīng)力，使得該處應(yīng)力不會過大。如下圖5-4所示：圖5-4模型優(yōu)化5.3優(yōu)化前后的對比結(jié)果對優(yōu)化后的模型施加相同的邊界條件，同時模型施加相同的力，對優(yōu)化后的模型進行分析結(jié)果。如下圖5-5至圖5-7：圖5-5位移云圖圖5-6應(yīng)變云圖圖5-7應(yīng)力云圖根據(jù)圖5-5至5-7的數(shù)據(jù)，優(yōu)化后座椅骨架的最大應(yīng)力為83.926MPa，小于屈服強度355MPa；最大位移為0.38112mm，形變較小，強度滿足要求。與未優(yōu)化前的結(jié)果相比，優(yōu)化后的應(yīng)力和位移均有所降低。詳情參見如下表5-1中的優(yōu)化前后對比數(shù)據(jù)。表5-1優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比最大應(yīng)力（Mpa）最大位移（mm）應(yīng)變（mm/mm）優(yōu)化前111.610.737855.6845×10-4優(yōu)化后83.9260.381124.4471×10-45.4本章小結(jié)結(jié)論如下：根據(jù)表2的計算數(shù)據(jù)結(jié)果可知，座椅骨架在模型優(yōu)化后，對連接部位進行加強，連接部位最大應(yīng)力為83.926MPa，相對于優(yōu)化前應(yīng)力減小了24.8%，座椅骨架的的最大位移是0.38112mm，相對于優(yōu)化前應(yīng)力減小了48.3%，模型的優(yōu)化是安全有效的，大大提高了座椅骨架的強度。同時，連接位置形變明顯，遠離連接處形變減小，連接部位設(shè)計至關(guān)重要。有效的優(yōu)化提升了座椅骨架的安全穩(wěn)定性，抵御外部力量，確保座椅骨架在工作中表現(xiàn)出色。

6總結(jié)隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，車輛已深入普通家庭，而汽車座椅的設(shè)計對車輛安全至關(guān)重要。本文通過人機工程學的分析，對座椅結(jié)構(gòu)做出了大膽設(shè)計，注重座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化舒適性和安全性，考慮人體健康及坐姿特點。設(shè)計著重于匹配人體尺寸和生理特征，經(jīng)人機工程評價驗證設(shè)計合理，具一定實用價值。由于本人自身水平和時間的限制，文章中還存在著不盡人意的地方，在以后的工作和學習中還應(yīng)當對座椅進行更加深入的研究。參考文獻[1]畢重丹.中國乘用車輛座椅演變的分析與研究[D].南昌大學,2