朱文祥　張微娜

摘 要：以汽車座椅靠背骨架解鎖手柄為例，介紹CATIA軟件中有限元分析模塊和DMU運(yùn)動(dòng)模塊在汽車零部件設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過利用CATIA軟件對解鎖手柄的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：解鎖手柄；有限元分析；CATIA

中圖分類號： U462 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）25-201-2

0 引言

CATIA軟件作為功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到汽車零部件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，在汽車零部件產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，CATIA不僅可提供3D、2D的設(shè)計(jì)工作，還可進(jìn)行產(chǎn)品的有限元分析以及DMU運(yùn)動(dòng)仿真分析，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，大大降低了產(chǎn)品的開發(fā)費(fèi)用。

本文以汽車座椅骨架的零部件設(shè)計(jì)為例，利用CATIA軟件，進(jìn)行3D建模、2D設(shè)計(jì)，通過有限元分析進(jìn)一步對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終達(dá)到設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。

1 產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)方案建立

汽車座椅作為汽車重要的系統(tǒng)之一，可實(shí)現(xiàn)前后滑動(dòng)、升降調(diào)節(jié)以及靠背角度調(diào)節(jié)等多方向調(diào)節(jié)，其中手動(dòng)靠背角度調(diào)節(jié)功能的實(shí)現(xiàn)是通過解鎖手柄運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)調(diào)角器圓盤運(yùn)動(dòng)，調(diào)角器圓盤與靠背邊板進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)靠背角度調(diào)節(jié)。通過周邊環(huán)境的校核以及調(diào)角器自身的性能，確定調(diào)角器解鎖手柄的初步方案，初步設(shè)定解鎖手柄材質(zhì)為Q345，料厚為2.5mm。

利用CATIA三維建模模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)，初步方案見圖1所示。

2 產(chǎn)品零部件標(biāo)準(zhǔn)的建立

解鎖手柄的側(cè)向剛度需要建立標(biāo)準(zhǔn)，側(cè)向剛度太弱，乘客在調(diào)節(jié)靠背過程中，調(diào)角器手柄與座椅旁側(cè)板干涉，產(chǎn)生劃痕，乘客抱怨，為避免此類失效問題發(fā)生，汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 844-2011特針對此制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，具體如下。

標(biāo)準(zhǔn)要求：手動(dòng)調(diào)角器手柄的側(cè)向變形量（S=S1+S2）不大于15mm，只有一側(cè)施加力時(shí)，變形量S1或S2均不大于10mm。

實(shí)驗(yàn)方法：如圖2所示，將模擬的靠背骨架總成置于剛性夾具上，按如下步驟進(jìn)行操作：①在圖示距離手柄末端20mm處均勻施加一水平向左的力F1（49N），最大變形量S1；②然后向右方向施加力F2（49N）的力，最大變形量為S2；③變形量在施力點(diǎn)通過百分比測量。

根據(jù)建立的標(biāo)準(zhǔn)，利用CATIA有限元分析模塊，對解鎖手柄進(jìn)行有限元分析，此項(xiàng)分析只針對調(diào)角器解鎖手柄，對3D模型進(jìn)行簡化，去除調(diào)角器、靠背邊板、座靠連接板等零部件，利用CATIA軟件Generative Structwral Analysis 模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分和有限元模型建立。

3 零部件有限元模型的建立及優(yōu)化處理

3.1 材質(zhì)設(shè)定

CATIA軟件可對零部件直接賦予材質(zhì)的屬性（圖3），也可通過CATIA 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模塊根據(jù)選用材料的類別自定義材料的屬性（圖4）。

本文采用第一種方法，直接賦予零件Steel材質(zhì)。

3.2 網(wǎng)格劃分和有限元模型建立

網(wǎng)格劃分越細(xì)，計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確，當(dāng)然計(jì)算時(shí)間越長，對于解鎖手柄零部件，結(jié)構(gòu)相對簡單，通過CATIA自動(dòng)網(wǎng)格劃分所得出的計(jì)算結(jié)果精度誤差不會(huì)太大?？赏ㄟ^分析報(bào)告命令對結(jié)果進(jìn)行查看。

3.3 有限元分析結(jié)果

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，對零部件進(jìn)行邊界設(shè)置，并施加載荷。通過CATIA結(jié)果顯示功能分別顯示馮·米斯應(yīng)力圖、變形位移云圖，對比材料的屈服極限以及標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，查看初步方案是否滿足設(shè)計(jì)要求。

通過節(jié)點(diǎn)位移云圖，可知解鎖手柄最大位移變形量為10.8mm，不滿足標(biāo)準(zhǔn)單邊施加力值，變形量≤10mm，需要對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化；

圖5顯示解鎖手柄的Von Mises應(yīng)力云圖，通過結(jié)果顯示解鎖手柄在彎角處所受到的應(yīng)力最大，達(dá)到了361MPa，可通過增加翻遍以及增加加強(qiáng)筋的方式進(jìn)行優(yōu)化處理。

3.4 解鎖手柄的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

CATIA軟件最大的優(yōu)點(diǎn)之一為參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員可通過參數(shù)的調(diào)整來確認(rèn)有限元分析結(jié)果是否符合設(shè)計(jì)要求，而無須再重新對零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分、邊界處理等步驟，大大節(jié)省了設(shè)計(jì)人員的時(shí)間。

通過三維設(shè)計(jì)模塊直接進(jìn)行數(shù)據(jù)參數(shù)調(diào)整，通過增加加強(qiáng)筋以及翻邊處理，對零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，由更改后零部件的位移云圖和Von Mises應(yīng)力云圖可知，更改后零部件的最大位移變形量5.16mm，最大應(yīng)力為223MPa，兩者均滿足標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求，證明零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案有效。

4 DMU運(yùn)動(dòng)環(huán)境校核

CATIA軟件DMU模塊提供了較為便利的運(yùn)動(dòng)仿真功能，可利用此模塊來進(jìn)行干涉、距離檢查。主要步驟如下：

步驟1：創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)副；步驟2：定義命令；步驟3：定義固定件；步驟4：機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模擬；

通過干涉以及距離分析功能進(jìn)行模擬，分析零部件與周邊環(huán)境是否干涉以及與周邊環(huán)境的最小距離，本實(shí)例解鎖手柄最大解鎖角度為30°，通過DMU模擬解鎖手柄運(yùn)行軌跡，通過圖6可見，解鎖手柄由初始位置到最大解鎖角度30°位置運(yùn)行范圍內(nèi)，解鎖手柄與其他零部件最小距離在最大解鎖角度位置，距離值為0.998mm，基于相鄰運(yùn)動(dòng)零部件最小距離≥5mm的設(shè)計(jì)規(guī)范，可再對解鎖手柄進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證解鎖手柄運(yùn)行過程中與其他零部件最小距離≥5mm，此處不再進(jìn)行詳細(xì)處理。

5 結(jié)束語

利用CATIA V5高級建模功能，在對解鎖手柄進(jìn)行參數(shù)化建模的基礎(chǔ)上，對解鎖手柄進(jìn)行了有限元模型的建立和有限元分析，得出了解鎖手柄應(yīng)力等值分布圖以及變形位移圖，通過圖形可直觀的分析出解鎖手柄是否滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)利用DMU運(yùn)動(dòng)仿真，檢查解鎖手柄與相鄰零部件是否干涉以及最小距離，避免了以往被動(dòng)的校核設(shè)計(jì)方法，同時(shí)利用CATIA的參數(shù)化設(shè)計(jì)，可直接更改參數(shù)，無須再去對零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及邊界設(shè)置，大大降低了設(shè)計(jì)人員的效率，保證了設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可靠性。

參 考 文 獻(xiàn)

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