周慧萍， 母德強(qiáng)

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

隨著汽車(chē)工業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)的舒適性和安全性逐漸受到人們的重視，而座椅是與人體直接接觸的部件，其重要性不言而喻。關(guān)于座椅的強(qiáng)度特性仿真分析，其理論和方法都得到了廣泛的認(rèn)可。與此同時(shí)，在滿(mǎn)足安全性的前提下，如何提高汽車(chē)座椅的工藝性并盡可能地減輕質(zhì)量，也成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

汽車(chē)座椅的靜強(qiáng)度是指座椅承受靜態(tài)載荷的能力，以座椅骨架的靜強(qiáng)度分析為主要內(nèi)容，以座椅結(jié)構(gòu)的有限元模型為分析基礎(chǔ)。座椅結(jié)構(gòu)有限元模型的建立，則是依據(jù)座椅骨架的具體情況，選擇合適的有限元單元，對(duì)座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，并且給這個(gè)模型賦予合適的材料屬性，進(jìn)行邊界條件的模擬，經(jīng)過(guò)調(diào)整，最后得到一個(gè)具有可接受精度的座椅結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度特性的仿真模型的過(guò)程[1]。

1 座椅靜強(qiáng)度特性分析的軟件平臺(tái)[2]

目前，較為廣泛應(yīng)用的有限元仿真分析軟件有美國(guó)MSC公司開(kāi)發(fā)的MSC.Nastran，MSC. Marc，美國(guó)ANSYS公司開(kāi)發(fā)的ANSYS，美國(guó)HKS公司開(kāi)發(fā)的ABAQUS，美國(guó)LSTC公司開(kāi)發(fā)的LS-DYNA，美國(guó)Altair公司旗下的Hyper works系列軟件，以及法國(guó) ESI公司的 Pam. Crash等軟件。

文中首先應(yīng)用CATIAV5建立汽車(chē)座椅CAD幾何模型，再利用美國(guó)Altair公司的Hyperworks系列有限元軟件對(duì)汽車(chē)座椅模型進(jìn)行前處理、有限單元計(jì)算和后處理。有限元分析流程和軟件的選擇如圖1所示。

圖1 有限元分析流程和軟件的選擇

座椅骨架模型如圖2所示。

下面建立汽車(chē)座椅有限元模型。

1.1 零件的幾何清理[3]

在三維實(shí)體造型軟件中對(duì)模型進(jìn)行預(yù)先的清理。完成幾何清理后的座椅骨架模型如圖3所示。

圖2 座椅骨架模型

圖3 座椅模型的幾何清理

1.2 座椅骨架常見(jiàn)破壞部件的選擇與簡(jiǎn)化[4]

本課題計(jì)算分析和試驗(yàn)用的座椅是駕駛員座椅（其骨架見(jiàn)圖2）。在這里將骨架分為內(nèi)側(cè)板、支座、支架、靠背、調(diào)角器、座盆、外側(cè)板和固支、橫板、鉸接板以及滑軌幾個(gè)部分來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖4所示。

圖4 座椅骨架的各個(gè)部件

整個(gè)座椅骨架結(jié)構(gòu)件以薄板沖壓件為主，各部分通過(guò)焊接、螺栓和銷(xiāo)釘相互連接。該座椅不僅可以沿滑軌進(jìn)行前后方向的調(diào)節(jié)，通過(guò)靠背調(diào)角器調(diào)節(jié)靠背的角度，還可以通過(guò)座盆與滑軌之間帶齒的板件調(diào)節(jié)座盆的高度。調(diào)角器可以作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，涉及到彈簧、相互嚙合的齒扇齒條、鉚接、螺栓連接和銷(xiāo)釘連接等特殊結(jié)構(gòu)。通過(guò)以前所積累的座椅強(qiáng)度試驗(yàn)和計(jì)算分析資料可以發(fā)現(xiàn)，座椅骨架常見(jiàn)的破壞主要發(fā)生在以下部位:靠背左右側(cè)板;調(diào)角器與座椅靠背連接部分;滑軌與座盆連接部分和調(diào)角器總成。因此，要重點(diǎn)對(duì)這4處薄弱的部分進(jìn)行詳細(xì)建模，提高其網(wǎng)格質(zhì)量。

1.3 單元類(lèi)型的選擇

單元選擇在有限元計(jì)算中是非常重要的，包括對(duì)單元的類(lèi)型和精度進(jìn)行選擇。常見(jiàn)的單元類(lèi)型有桿單元、梁?jiǎn)卧⑵矫鎲卧?、板單元和殼單元，以及軸對(duì)稱(chēng)單元和一些非結(jié)構(gòu)化單元等[5]。

汽車(chē)座椅是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，它由近百個(gè)零件組成。座椅的骨架結(jié)構(gòu)主要由鋼板沖壓件和鋼管組成，會(huì)用一些鉚釘、螺栓和短軸通過(guò)焊接和鉚釘來(lái)連接各部分零件。由于它們的徑向尺寸與軸向尺寸之比大于1∶15，針對(duì)座椅骨架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，再參考汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)有限元模擬分析和前人的經(jīng)驗(yàn)，在建立有限元模型時(shí)，把這些連接件簡(jiǎn)化為空間梁?jiǎn)卧蛣傂赃B接，即一種能夠反抗作用在其平面內(nèi)的橫向載荷與彎矩的一維單元，不考慮它們承受的剪力和彎矩。

文中座椅模型共有單元253 147個(gè)，其中三角形單元4 839個(gè)，占總數(shù)的1.9%，對(duì)結(jié)果的影響不大。座椅骨架各個(gè)零件采用的單元類(lèi)型見(jiàn)表1。

表1 座椅骨架各個(gè)零件采用的單元類(lèi)型

在座椅靜強(qiáng)度仿真分析時(shí)，把座椅簡(jiǎn)化為主要由空間梁?jiǎn)卧蜌卧M合而成的有限元模型。

1.4 材料特性和物理特性的定義

在定義單元類(lèi)型的同時(shí)，還要定義單元的材料和物理特性。

材料屬性見(jiàn)表2。

表2 材料屬性表

表2數(shù)據(jù)為文獻(xiàn)[6]中規(guī)定的各種汽車(chē)座椅應(yīng)用材料的材料屬性。物理特性是指殼單元的厚度和梁?jiǎn)卧慕孛嫘螤詈统叽纭?/p>

根據(jù)每個(gè)零件在整體中的相對(duì)位置和作用，我們把整體座椅結(jié)構(gòu)大致分為14個(gè)殼單元和若干個(gè)梁?jiǎn)卧?，主要有鉸接板、橫板、支架、內(nèi)側(cè)板、外側(cè)板、靠背、支座、調(diào)角器、座盆、連片、固支、彈簧和滑軌。主要?dú)卧土簡(jiǎn)卧牟牧咸匦约拔锢硖匦砸?jiàn)表3。

表3 座椅主要單元的材料特性及物理特性

1.5 有限元網(wǎng)格的劃分

在幾何清理工作完成以后，要開(kāi)始對(duì)各零件抽取中面，然后再逐一劃分網(wǎng)格，由于零件之間的相對(duì)位置已經(jīng)在CATIA中確定，因此對(duì)零件單獨(dú)劃分網(wǎng)格不會(huì)影響其整體的結(jié)構(gòu)[7]。網(wǎng)格的劃分應(yīng)該滿(mǎn)足合法性、相容性和逼近精確性的要求。

以調(diào)角器、支架、外側(cè)板為例，該模型選擇的是三角形和四邊形混合單元，網(wǎng)格邊長(zhǎng)定義為1 mm，外側(cè)板的網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 座椅部分零件的網(wǎng)格劃分圖

網(wǎng)格的質(zhì)量不能完全達(dá)到100%合格時(shí)，則要進(jìn)行網(wǎng)格調(diào)整工作。Hypermesh的Tool頁(yè)面里的checkelems面板是用來(lái)檢查網(wǎng)格質(zhì)量的，檢查的主要目的是保證模型中沒(méi)有影響計(jì)算的突出銳角以及損壞單元，座椅外側(cè)板不合格網(wǎng)格局部放大圖如圖6所示。

圖6 座椅外側(cè)板不合格網(wǎng)格局部放大圖

在座椅外側(cè)板進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查時(shí)，對(duì)不合格網(wǎng)格進(jìn)行局部放大再進(jìn)行修改。檢查中發(fā)現(xiàn)該外側(cè)板模型的不合格單元數(shù)為133個(gè)，占總單元數(shù)的0.4%，根據(jù)規(guī)定，不合格單元占總單元數(shù)量為0.5%以下，則可認(rèn)為單元類(lèi)型和尺寸選擇是合理的。

1.6 邊界條件的確定

對(duì)座椅進(jìn)行靜態(tài)特性仿真分析時(shí)，確定邊界條件是必須考慮的問(wèn)題之一。邊界條件就是對(duì)結(jié)構(gòu)施加的位移約束，在座椅支架的圓孔上施加約束，如圖7所示。

根據(jù)座椅在車(chē)內(nèi)的實(shí)際安裝位置和安裝形式來(lái)確定邊界條件，在座椅和地板連接的支架處施加約束定義為該座椅計(jì)算模型的邊界條件，限定該部位節(jié)點(diǎn)的全部自由度，如圖8所示。

圖7 施加在座椅支架的圓孔上的約束

圖8 座椅計(jì)算模型的邊界條件

所研究的汽車(chē)座椅有限元模型中，共有256 397個(gè)結(jié)點(diǎn)、253 147個(gè)單元。根據(jù)文獻(xiàn)[6]中對(duì)座椅總成靜強(qiáng)度做了規(guī)定，要求在座椅總成質(zhì)心處水平向前和向后對(duì)其施加20倍座椅總成質(zhì)量的載荷。為了方便加載，將質(zhì)心與座椅靠背兩豎梁通過(guò)剛性連接連接在一起，座椅總成質(zhì)量為11.25 kg，再加上蒙皮和泡沫質(zhì)量，座椅質(zhì)量大概為12.9 kg，因此應(yīng)施加質(zhì)心處的質(zhì)量為2 532 N。

2 靜強(qiáng)度仿真分析

汽車(chē)座椅有限元模型如圖9所示。

圖9 汽車(chē)座椅有限元模型

2.1 向前加載的總成靜強(qiáng)度仿真分析

按照法規(guī)規(guī)定，需要在座椅總成的質(zhì)心處向前施加2 532 N的力，在有限元模型里，我們?cè)谧蔚馁|(zhì)心處設(shè)置一個(gè)結(jié)點(diǎn)，通過(guò)這個(gè)結(jié)點(diǎn)再向兩邊的靠背骨架構(gòu)建若干虛擬梁，最后在結(jié)點(diǎn)處施加2 532 N的力，使其間接作用在座椅總成結(jié)構(gòu)上，如圖10所示。

圖10 座椅總成靜強(qiáng)度向前加載時(shí)的仿真模型

從圖中可以看出，對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布基本相同，相對(duì)來(lái)說(shuō)應(yīng)力較大的區(qū)域則集中在調(diào)角器與內(nèi)側(cè)板連接的螺栓孔處，通過(guò)計(jì)算，模型最大應(yīng)力為248 MPa，如圖11所示。

圖11 向前加載時(shí)的調(diào)角器應(yīng)力圖

通過(guò)座椅總成質(zhì)心對(duì)座椅水平向前施加相當(dāng)于座椅總成重量20倍的力后，由座椅總成的變形圖可以發(fā)現(xiàn)，座椅的各個(gè)部位零件位移量很小，座盆、滑軌和內(nèi)外側(cè)板等總成基本沒(méi)有移動(dòng)，最大位移點(diǎn)的最大位移為3.87 mm，發(fā)生在座椅頭枕處，如圖12所示。

由此可以得出結(jié)論，上述模型滿(mǎn)足法規(guī)要求，最大應(yīng)力248 MPa，小于內(nèi)側(cè)板材料08AL的屈服極限275 MPa。

圖12 座椅總成靜強(qiáng)度向前加載時(shí)的仿真結(jié)果變形

2.2 向后加載的總成靜強(qiáng)度仿真分析

與向前加載的方式相同，在質(zhì)心結(jié)點(diǎn)處水平向后施加一個(gè)2 532 N的力，使其間接作用在座椅總成結(jié)構(gòu)上，其應(yīng)力云圖如圖13所示。

圖13 座椅總成靜強(qiáng)度向后加載時(shí)的應(yīng)力云圖

從圖中可以看出，對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布基本相同，相對(duì)來(lái)說(shuō)應(yīng)力較大的區(qū)域則集中在調(diào)角器與內(nèi)側(cè)板連接的螺栓孔處，通過(guò)計(jì)算，模型最大應(yīng)力為248 MPa，位移云圖如圖14所示。

圖14 座椅總成靜強(qiáng)度向后加載位移云圖

與向前加載相同，最大位移為3.87 mm，發(fā)生在座椅頭枕最上端。經(jīng)過(guò)計(jì)算，最大應(yīng)力小于內(nèi)側(cè)板材料屈服極限275 MPa，所以滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

2.3 座椅靠背靜強(qiáng)度仿真分析

2.3.1 座椅靠背靜強(qiáng)度仿真分析的加載方式

座椅靠背靜強(qiáng)度仿真分析與座椅總成靜強(qiáng)度仿真分析使用相同的模型。參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB15083-2006的規(guī)定:通過(guò)座椅靠背上框水平向后施加一個(gè)相對(duì)于座椅R點(diǎn)為530 N?m的力矩，座椅應(yīng)能承受以上載荷，座椅及座椅固定點(diǎn)應(yīng)能承受以上載荷;鎖止機(jī)構(gòu)不得打開(kāi);位移及角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不得松脫。

將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成力的形式進(jìn)行加載，將作用力施加于頭枕頂端。頭枕頂端相對(duì)于R點(diǎn)Z軸方向的距離為643 mm，因此，應(yīng)在頭枕處施加大小為824 N的力。為了減小施力點(diǎn)的應(yīng)力集中，將大小為824 N的集中力均布到24個(gè)節(jié)點(diǎn)，則每個(gè)節(jié)點(diǎn)的力為34 N。加載情況如圖15所示。

圖15 頭枕頂端加載示意圖

2.3.2 座椅靠背靜強(qiáng)度仿真向前加載分析結(jié)果[8]

通過(guò)座椅靠背上框?qū)ψ嗡较蚯笆┘铀?guī)定的力矩后座椅骨架的應(yīng)力分布圖可以看出，對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況基本相同，且應(yīng)力較大的區(qū)域集中在鉸接板與座椅靠背通過(guò)焊點(diǎn)連接的地方，通過(guò)計(jì)算得最大應(yīng)力為342 MPa，如圖16所示。

通過(guò)分析，這可能是因?yàn)樵撎幫ㄟ^(guò)剛性連接時(shí)，應(yīng)力在結(jié)構(gòu)突變處產(chǎn)生應(yīng)力集中所致，并且該處應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，因此不會(huì)產(chǎn)生破壞，認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。內(nèi)外側(cè)板及調(diào)角器等我們重點(diǎn)關(guān)心的地方應(yīng)力值均不超過(guò)材料的屈服極限。最大位移為21.3 mm，因此滿(mǎn)足法規(guī)要求。

圖16 靠背靜強(qiáng)度仿真時(shí)的鉸接板與座椅靠背連接處應(yīng)力圖

2.3.3 座椅靠背靜強(qiáng)度仿真向后加載分析結(jié)果

同理，通過(guò)計(jì)算分析，向后加載時(shí)應(yīng)力云圖及位移云圖分別如圖17和圖18所示。

圖17 向后加載應(yīng)力云圖

圖18 向后加載位移云圖

最大應(yīng)力為342 MPa，發(fā)生在鉸接板與座椅靠背通過(guò)焊點(diǎn)連接的地方。最大位移為15.1 mm，因此沒(méi)有達(dá)到它的屈服極限，仍處于彈性變形階段。

2.3.4 頭枕后移量分析

文獻(xiàn)[6]中規(guī)定:用假背對(duì)座椅加載，使得繞R點(diǎn)的后翻力矩為373 N?m。在此基礎(chǔ)上，頭枕再承受相對(duì)于座椅參考點(diǎn)R點(diǎn)大小為373 N?m的力矩時(shí)，頭枕最大后移量不應(yīng)超過(guò)102 mm。同時(shí)，法規(guī)規(guī)定了加載位置為頭枕Z方向最高位置向下65 mm處。

將后翻力矩和加載力矩均轉(zhuǎn)化成力的形式施加，在頭枕頂部將373 N?m的后翻力矩轉(zhuǎn)化成力均布到24個(gè)節(jié)點(diǎn)上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)受力22.4 N。同時(shí)將加載力矩作用于法規(guī)要求的作用點(diǎn)，大小為643 N，如圖19所示。

圖19 后翻力矩轉(zhuǎn)加載應(yīng)力云圖

加載后，其整個(gè)座椅的位移云圖如圖20所示。

圖20 后翻力矩轉(zhuǎn)加載后整個(gè)座椅的位移云圖

從圖中可以看出，整個(gè)座椅的位移變化并不大，位移的改變量主要集中在頭枕部位，如圖21所示。

圖21 后翻力矩轉(zhuǎn)加載后頭枕部位的位移云圖

通過(guò)計(jì)算，座椅頭枕頂部的最大位移為28.3 mm，小于102 mm，滿(mǎn)足相關(guān)法規(guī)要求。因此可以得出結(jié)論，在施加規(guī)定力矩以后，該汽車(chē)駕駛員座椅的靠背靜強(qiáng)度完全滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，并留有一定的裕量。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，高效汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法得到逐步完善，根據(jù)文中的分析和計(jì)算可知，運(yùn)用Hyperwork系列有限元軟件對(duì)汽車(chē)駕駛員座椅模型的總成和靠背靜強(qiáng)度特性、頭枕后移量進(jìn)行了仿真分析的方法，對(duì)于進(jìn)行汽車(chē)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)必將起到令人滿(mǎn)意的作用。

[1] 余銘.新型轎車(chē)座椅靜強(qiáng)度特性有限元仿真分析研究[D]:[碩士學(xué)位論文].長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2005:1-4.

[2] 常學(xué)興.轎車(chē)駕駛員座椅強(qiáng)度特性有限元分析與仿真研究[D]:[碩士學(xué)位論文].長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2009:1-2.

[3] 葉彪.客車(chē)乘客座椅的乘坐舒適性[J].客車(chē)技術(shù)與研究，2003（4）:21.

[4] 吳海波.汽車(chē)座椅CAD[D]:[碩士學(xué)位論文].長(zhǎng)春:吉林工業(yè)大學(xué)，1996.

[5] 龔培康.有限單元法及其在汽車(chē)工程中的應(yīng)用[M].重慶:重慶大學(xué)出版社，1989:105-130，41-48.

[6] 佚名.汽車(chē)座椅系統(tǒng)強(qiáng)度要求及實(shí)驗(yàn)方法: GB15083-2006[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007: 287-290.

[7] 袁明道，肖明.基于AutoCAD的有限元網(wǎng)格半自動(dòng)剖分[J].CAD世界，2003（1）:5-8.

[8] 黃天澤，黃金陵.汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:245-249.