改善座椅热舒适性的加热座椅仿真研究

简介

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SAE H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）

图5.人体和H点壳合并。

图6.测试假人分块

环境-环境条件

为该模拟选择的案例研究是从极冷环境开始的预热场景。初始环境温度和座椅材料温度为−20 °C。在整个模拟过程中，假定相对湿度为40%是恒定的。测试开始前，测试假人将暴露于该初始环境60秒，以模拟个人在车外行走。为了考虑HVAC系统的影响，环境空气将以预定速率升温，在15分钟后达到19.1° C。

材料特性-测试假人

模型中考虑了服装和新陈代谢。在这种情况下，假设第50百分位身高和体重男性的代谢具有1.2 MET的活动水平，其对应于轻度活动。MET或任务的代谢当量是以kcal/kg* hr表示的生理活动成本的量度。典型代谢当量率的表格如下所示（参见表1）。

表1.不同活动的典型代谢当量率

还使用了适当的服装：长袖厚针织毛衣，厚针织帽子，宽松花呢长裤及三角裤，礼服袜及街头鞋。这被用来计算衣服在身体上的局部绝缘效果，并提供了1.24clo（0.192 m^2-K/W）的全身绝缘值。该值表示所施加的服装的总热阻，包括取决于所施加的服装类型、各个区段上的层数和无服装区段的不同量的隔热。材料特性-座椅

座椅的尺寸属性直接从零部件的三维几何图形中提取。为了描述材料的热特性，模拟需要CAD中不可用的附加信息，具体包括材料密度、导热系数、比热容。

出于此模拟的目的，使用了简单的估计，因为分析的重点是座椅系统热交换的一般趋势，而不是索纳塔座椅加热器系统的具体性能。建模的材料组件包括：装饰罩、通风/加垫层、座垫加热元件、座椅靠背加热元件、泡沫垫。

座椅加热器-系统和仿真详细信息

将模拟被动和主动加热控制方案。在被动模拟中，加热元件将保持不活动状态，以仅评估来自身体和环境的热传递。在主动座椅加热器模拟中，加热元件将被打开以评估身体、环境和座椅之间的热传递。

座椅加热器系统的模拟加热速率和最大设定温度符合程序规范。此外，座椅加热器可循环打开和关闭，以保持最高设定温度。将在紧邻加热元件的装饰罩处评估座椅温度。

结果

座椅温度输出

在模拟中，在20分钟内测量座椅装饰罩、衣服和皮肤上的温度。在图7、图8和图9中可以看到被动系统和加热系统在8分钟后的结果视图。

注意到若干关键结果：

1.被动系统和主动加热系统在模拟期间均经历升温；

2.垫中的主动热在约6分钟内在盖处达到42 ° C的最大设定点温度（比被动情况更快）；

3.被动座椅系统仍然在约11分钟内仅从身体热量和环境空气显著升温至10° C；

4.由于热传导的影响，身体接触区域的热量分布更快、更均匀；

5.非接触区域在无源系统中需要更长的时间来加热，并且在加热系统中显示出来自元件的更清晰的热分布。

图7.8分钟时被动与加热座椅温度

图8.8分钟时的被动与加热衣物温度

图9.8分钟时被动与加热皮肤温度
热舒适模型输出伯克利模型将皮肤和全身温度转换为预测的主观输出。骨盆、背部和全身的热感觉和热舒适度等级如图10、11和12所示。

图10.被动与主动加热座椅：伯克利预测主观热感觉

图11.被动与主动加热座椅：Berkley预测的主观热舒适性

Fig.12.被动与主动加热座椅：Berkley预测主观总体比较

显著结论包括：

1.两个系统在2分钟时骨盆和背部区域的热舒适性和感觉显著下降，因为热量从乘员移动到较冷的座椅；

2.被动系统的座椅接触区域的热舒适性在4分钟后开始增加，但在20分钟后从未达到中性；座椅接触区域的热舒适性在主动预热系统中在约8分钟时过渡到舒适。

总结

本研究的结果表明，热舒适性和座椅效果高度依赖于两个关键因素：环境和人为因素。在这种情况下，环境因素包括与热交换相关的典型材料特性，但也包括影响密度和接触面积的阀座的挠曲和压缩特性。人体因素的大小，生理，服装，活动水平和姿势涉及到潜在的热量输出的个人和潜在的座位接触面积。

这些因素的建模和模拟确定了几个关键的传热细节，即：适合于环境条件的服装特性在身体或座椅接触区域上不均匀；来自和去往人体的热能的分布是不均匀的；加载（压缩）材料特性对于主接触区域是重要的，因为它们可以改变许多热传递特性；通常，背部、胸部和骨盆对整体感觉影响最大。

该项目的结果表明，使用RadTherm的热建模过程可以用于模拟坐式热交换。H点设计信息是定义有意义的偏转和与座椅接触面积所需的重要组成部分。

文章出处：Ziolek, S., Pryor, J., Schwenn, T., and Steinman, A., "Heated Seat Simulation Study for Thermal Seat Comfort Improvement," SAE Int. J. Passeng. Cars - Mech. Syst. 8(2):2015, doi:10.4271/2015-01-1391.