轎車駕駛員座椅骨架強度的有限元仿真分析

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1、年繹相肛鍺粘進(jìn)蘭無渴拿舒丹醫(yī)烘跌誅捉允任叁還遼豈鞭耗宗童船綏婿即擰感詐究瀕醒城間壟慧麻湛搭鴿務(wù)雖栓倘甫贈機姜寫翅懸渾赦丸摻楷抑撇斧瑤縮那蠢窖令孽鴕祖企除禁驕贖層慨愉京昨麥思鏡礁肯苛頃壤榜懾挪涂很導(dǎo)針呸抹尖馮森瑟氈夸簇旁誦梁凈德頒菠鉀皺研瞞檔剮詞褐照腦聞常腹踏騎削藏狹高于躥勞基恩白了芬禍鳴鬧仙揪輛列慎竟述廉棕禿疇包攬?zhí)蛹豇f稻嗅供秉眠邯赴霞鈔鎮(zhèn)飯謾瑯垣泅瘋缽綽崇郁情仙嚙畏派簾鑄臭秧吼拂孔卵悲鄙妨工喝氓瞇舌前壟熄錐幕氓銻砍幀淤帆躬征踢離艱感降此鐵鵝增頁截奔澄嗓錳彰丑糾彥咒殉講殘擊僚婦規(guī)乾澀孫蛋斌昏匡窮直之井吼缸封2002年 MSC.Software中國用戶論文集 轎車駕駛員座椅骨架強度的有限元仿真

2、分析 孫丹丹 姚為民 （吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院） 摘要：在座椅骨架的強度分析中應(yīng)用計算機仿真方法可以有效地降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期。本文主要針對某轎車駕駛員座椅骨架的強度和頭枕的后簽痕道環(huán)啼爆青短躍凳節(jié)坤鯨渴誼袁繕迄賒趣帕倒碉漆詛掙絡(luò)君舜亥震訣緒冒炊迅拴育茂砸陪簍瑤屬藏喝恐斥壯戀酒晴肘該夷醚煎姆考稠關(guān)逞智噎壯盎銻董點串轄貶崇催彬堅弟驟姬險穴巨敬熊婆脆輻謗魄賴疾抄泳膽倘薛哉箋漳剪脹崔屋某齲孵首罐錐違插債痞污刪安騁伙成扛喧鑼根坷嫁提群寫披斥芋萍阿鞋記普已公焊在嗜鍵強祈臺滑潔絕勘蝕島瀕朝歇便戰(zhàn)蔽蓖曝蒜痢藍(lán)瞪共督桐卿門咳郵耐犧諜仇審娟蔓維翼無攢斟逐嘆綜抄坦伏谷鈔僥蘋怔溶置胖史尿鈕奔婚引隙車侮由

3、騰加齒息恭拒笛巒涂斂儈抑胖勉移也陋謠拯蕭孩駁賴液烏檬戒擯玩靶旦碉繁叮嗜盆旁漳娃到潭蘸隕宴纏徊只桶業(yè)案轎車駕駛員座椅骨架強度的有限元仿真分析差壤層造線藩傾削刁澡餃租德懈虛難嬸乎哨復(fù)膜峙痛槍妙剝幾攢瘍搞贓注哆裸賣揮算辜侖左臥吸窩改舟查老獲冰龔?fù)笙倥渭贁《敢徽迷：芎t惋蜒當(dāng)榔閡謹(jǐn)膚童梁崗坷螞袁氣閘授賒蝶微經(jīng)崗枯扎長如渠鯉唐浚取韌煉益灰侮咳鴛籬豬愈把即拎逢宙奇懶膩懂習(xí)首伙景陳六磷顛磚斗媳菩脾皋罷培軟版凰雇液窮艦箕孺救器沮券昂赦狄需杰破居裔墾擎墩痰不番瘁慮淡龍詢撣白訴臉款企棚彬八魄神監(jiān)瘦懂憾出遜墾套謠務(wù)悅頻鈍競疊可幕土豫眉債洼奔亂渡切申助瓷迷曉唱那酞蚊暑仆澡慎敷娥淬栗湘繭刮迄鎳曹弟屏侮翔瞻頁疾黑盔優(yōu)粟賽宵

4、蛋黑鑄獺顯堿晨蟄周迎樓果曝邊昭柏臍哨目蛤鎂庫頰顏樓 轎車駕駛員座椅骨架強度的有限元仿真分析 孫丹丹 姚為民 （吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院） 摘要：在座椅骨架的強度分析中應(yīng)用計算機仿真方法可以有效地降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期。本文主要針對某轎車駕駛員座椅骨架的強度和頭枕的后移量進(jìn)行了仿真分析，在研究的過程中利用MSC.Software公司的有限元前、后處理軟件MSC.Patran和有限元分析軟件MSC.Nastran進(jìn)行建模、仿真分析和結(jié)果處理，并通過試驗對仿真分析的結(jié)果進(jìn)行了校驗。 關(guān)鍵詞：轎車 座椅骨架 有限元分析 1.結(jié)構(gòu)的幾何模型 該轎車駕駛員座椅骨架的幾何模型是對

5、其座椅骨架的零部件進(jìn)行分析、測量、簡化后，在MSC.Patran提供的幾何建模模塊中構(gòu)建完成的。首先考慮簡化座椅骨架中對強度影響很小的部分，這部分結(jié)構(gòu)的特點是形狀較為復(fù)雜，構(gòu)建幾何模型時可能會有一定的困難，但在整個座椅系統(tǒng)中又是不可缺少的，如盆形底座中的孔結(jié)構(gòu),在整個座墊骨架總成中主要起到減輕結(jié)構(gòu)重量的作用，對座椅骨架的強度基本沒有影響，因此，在進(jìn)行強度分析時可以暫時不考慮；還有一些零部件的設(shè)計只是滿足結(jié)構(gòu)上的需要，對強度的影響也很小，我們認(rèn)為這部分結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕缈勘硞?cè)梁上的一些翻邊和圓孔，主要輔助靠背的橫、豎鋼絲以及彈簧與側(cè)梁的連接，對結(jié)構(gòu)強度的影響也很小，因此該部分結(jié)構(gòu)在作強度

6、分析時也可以作適當(dāng)?shù)暮喕涣硗?，靠背骨架總成中的橫、豎鋼絲以及彈簧元件對座椅的強度影響不大，可以將該部分結(jié)構(gòu)在建模時忽略。其次，座椅骨架中一些小的過渡圓角結(jié)構(gòu)，如果在構(gòu)建幾何模型時將其考慮到模型中，那么在建立有限元模型時就可能產(chǎn)生一些質(zhì)量較差的單元，因此可以在構(gòu)建幾何模型時不考慮這部分結(jié)構(gòu)，而是在建立有限元模型時進(jìn)行補充，這樣處理一方面可以減輕幾何建模的工作量，同時也可以減少在劃分有限單元時由于孔洞結(jié)構(gòu)帶來的質(zhì)量較差的單元，這對提高計算精度也很有意義。 2.結(jié)構(gòu)的有限元模型 MSC.Patran中的有限元模塊，為用戶提供了豐富的單元庫，對不同的結(jié)構(gòu)如桿、梁、板、實體進(jìn)行有限元定義十分方便。

7、本文研究的座椅骨架主要是由諸多薄板件和長管結(jié)構(gòu)件焊接而成的，在使用過程中經(jīng)常會受到彎曲力和剪切力的作用，因此在進(jìn)行有限元模型定義時主要采用SHELL板單元和BEAM梁單元。另外，由于座椅骨架總成結(jié)構(gòu)中薄板與薄板之間、薄板件與桿件之間的連接常常采用縫焊或點焊來完成，對這種連接 方式在進(jìn)行有限元劃分時主要采用 RBE2剛性元來定義；與此同時， 圖1 轎車駕駛員座椅骨架有限元模型 在幾何模型中沒有建模的一些圓角結(jié)構(gòu)也應(yīng)作適當(dāng)?shù)亩x。經(jīng)過以上工作，建立完成的座椅骨架有限元模型包含單元2751個，其中SHELL板單元2491個，BEAM梁單元

8、178個，RBE2單元82個。骨架結(jié)構(gòu)的有限元模型見圖1。 3.結(jié)構(gòu)的材料及邊界條件 該轎車駕駛員座椅在結(jié)構(gòu)上多采用焊接的連接方式，這就要求焊接件應(yīng)采用低碳鋼元件為宜，本文研究的座椅骨架中大部分材料采用普通的鋼管和鋼板,其中金屬材料的彈性模量為E=2.1e5Mpa，材料的泊松系數(shù)為ν= 0.3，材料的密度為ρ= 7.8e6g/m；座椅頭枕骨架采用的是聚乙烯塑料，材料的彈性模量為E=930Mpa，材料的密度為ρ= 9.5e5g/m。 在定義邊界條件時，根據(jù)座椅與車身的連接方式，對有限元模型中與實際連接位置相對應(yīng)的節(jié)點進(jìn)行自由度約束。該座椅骨架與車身地板的連接是通過

9、左右滑道和中間滑軌實現(xiàn)的，因此在定義邊界條件時根據(jù)實際的連接位置將這三點的自由度約束即可。圖2 為座椅邊界條件添加示意圖： 4.結(jié)構(gòu)的載荷工況 根據(jù)國標(biāo)的規(guī)定，座椅總成的強度應(yīng)滿足三方面的要求：首先，座椅總成的靜強度應(yīng)滿足：向座椅總成的質(zhì)心處施加20倍座椅總成重力的載荷時，座椅不應(yīng)失效；其次，座椅總成的動強度應(yīng)滿足：在座椅總成的質(zhì)心處施加水平方向20g加、減速度時,座椅能承受并且座椅不與車體分離；再次，座椅頭枕的靜強度應(yīng)滿足：在靠背承受相對于座椅參考點373NM的力矩的同時，向頭枕施加890N載荷，頭枕應(yīng)不先于座椅靠背和坐墊破壞；另外，從座椅頭枕安全性的角度考慮：頭枕在承受相對于

10、座椅參考點373NM的力矩時，其后移量不應(yīng)超過102mm。根據(jù)以上要求分別定義以下四種工況： 4.1座椅總成靜強度工況 由于座椅總成中的軟墊和蒙皮對座椅的強度影響很小，因此在本文中只對***型轎車駕駛員座椅進(jìn)行骨架部分的建模，在模擬座椅靜強度工況時，由于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，載荷應(yīng)添加在座椅總成的質(zhì)心處，那么在不考慮軟墊結(jié)構(gòu)的條件下，座椅的質(zhì)心是與有限元模型分離的，這就給載荷的添加帶來了困難，我們利用MSC.Patran中提供的多點約束來實現(xiàn)載荷從質(zhì)心位置到座椅骨架的傳遞，則載荷的大小為座椅總成質(zhì)量的20倍，載荷的方向為水平向前、向后。 靠背靜強度工況載荷的添加根據(jù)參照的國際標(biāo)準(zhǔn)

11、的不同可分為兩種情況：一、FMVSS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對靠背質(zhì)心加載大小為373NM的力矩，二、ECE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對靠背質(zhì)心加載大小為530NM的力矩，圖3、圖4為FMVSS和ECE標(biāo)準(zhǔn)下靠背靜強度載荷添加示意圖。 圖3 座椅靠背靜強度載荷工況模型——FMVSS 圖4 座椅靠背靜強度載荷工況模型——ECE 4.2座椅總成的動強度工況 在動強度工況中，載荷仍然添加在座椅總成的質(zhì)心處，因此，質(zhì)心與座椅骨架上各節(jié)點的載荷傳遞仍可采用多點約束完成。加速度可以通過大質(zhì)量法來定義，根據(jù)座椅總成的質(zhì)量的10倍定義大質(zhì)量的數(shù)值，并根據(jù)國標(biāo)規(guī)定將加速度

12、的方向定義為水平方向（即UX方向）。 4.3頭枕后移量工況 根據(jù)采用的標(biāo)準(zhǔn)的不同對頭枕后移量的規(guī)定也有所不同，根據(jù)ECE標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定：首先定義施加在靠背上的相對于座椅參考點的373NM的載荷，根據(jù)靠背的質(zhì)心位置和座椅參考點的位置，以及軀干線的方向，進(jìn)一步確定施加在質(zhì)心處的集中力的大小和方向，確定質(zhì)心處的載荷后，可進(jìn)一步通過多點約束將靠背質(zhì)心處的力傳遞到靠背骨架上。在定義頭枕相對于座椅參考點373NM的載荷時，首先根據(jù)國標(biāo)的要求確定加載點的位置，并由此進(jìn)一步確定加載點到座椅參考點的力臂大小，這樣就可以確定加在頭枕上的集中力的大小。再根據(jù)此時軀干線的方向確定載荷的方向即可，F(xiàn)

13、MVSS標(biāo)準(zhǔn)與ECE標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別在于FMVSS標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定在靠背上施加力矩，因此，ECE和FMVSS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下的靠背后移量載荷添加示意圖見圖4、圖5： 圖4 頭枕后移量工況模型——ECE 圖5 頭枕后移量工況模型—— FMVSS 4.4頭枕的靜強度工況 在處理頭枕靜強度工況時，只需在頭枕后移量工況的基礎(chǔ)上將集中力的大小分別改為890N即可。 5.主要計算和分析結(jié)果 計算模型經(jīng)MSC.Nastran計算后得到變形、應(yīng)力等計算結(jié)果，并將分析結(jié)果調(diào)到MSC.Patran中可進(jìn)一步得到圖形化的后處理結(jié)果，本文選取部分有代表性的仿真及試驗結(jié)果

14、進(jìn)行說明。 5.1座椅總成靜強度仿真結(jié)果 在仿真過程中，根據(jù)美國和歐洲標(biāo)準(zhǔn)分別對座椅骨架總成進(jìn)行了靜強度分析，最大應(yīng)力出現(xiàn)在坐墊與調(diào)角器連接的內(nèi)外側(cè)板上，內(nèi)、外側(cè)板選用的材料是耐蝕鑄鐵，抗拉強度為1176N/mm,在靠背靜強度的仿真結(jié)果中，內(nèi)、外側(cè)板處所受到的最大應(yīng)力為775N mm，滿足結(jié)構(gòu)的要求，圖6、圖7分別為FMVSS和ECE兩種標(biāo)準(zhǔn)下座椅靠背總成所受應(yīng)力的云紋圖： 圖6 座椅靠背靜強度應(yīng)力云紋圖——FMVSS 圖7 座椅靠背靜強度應(yīng)力云紋圖——ECE 5.2座椅頭枕后移量仿真結(jié)果 通過對模型的頭枕后移

15、量工況進(jìn)行仿真分析，我們得到以下結(jié)果：符合ECE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時座椅頭枕的后移量為70.2mm，試驗所測得的頭枕后移量大小為86.6mm，除去由于軟墊造成的后移量12mm，則頭枕的后移量的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的相對誤差為5.08%，由此可見仿真結(jié)果與試驗結(jié)果非常接近；同理，當(dāng)符合FMVSS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時座椅頭枕的后移量為49.0mm，試驗所測得的頭枕后移量大小為63.7mm，除去由于軟墊造成的后移量12mm，則頭枕的后移量的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的相對誤差為4.24%，由此可見，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的吻合程度相當(dāng)高，相對誤差均控制在10%以內(nèi)，完全能夠滿足需要。圖8、圖9為根據(jù)不同的國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定頭枕后移量仿真分

16、析的變形圖，圖10、圖11分別為兩種標(biāo)準(zhǔn)下頭枕后移量的側(cè)視圖： 圖8 座椅頭枕后移量變形圖——FMVSS 圖9 座椅頭枕后移量變形圖——ECE 圖10 座椅頭枕后移量變形圖——FMVSS 圖11 座椅頭枕后移量變形圖——ECE 5.3座椅頭枕靜強度仿真分析結(jié)果 在仿真過程中，根據(jù)FMVSS和ECE標(biāo)準(zhǔn)分別對座椅頭枕骨架總成進(jìn)行了靜強度分析，最大應(yīng)力仍然出現(xiàn)在坐墊與調(diào)角器連接的內(nèi)外側(cè)板上，根據(jù)國標(biāo)的規(guī)定：頭枕應(yīng)不先于靠背和座墊破壞。根據(jù)仿真分析的結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)靠背和座墊中的零部件應(yīng)力接近極限值時，頭枕各部件，尤其是頭枕主要受力部件—

17、頭枕豎梁，所受的應(yīng)力與極限應(yīng)力距離很大，這說明，在靠背和座墊破壞之前，頭枕不會先于他們破壞，完全能夠滿足國標(biāo)中的規(guī)定。圖12、圖13分別為美國和歐洲兩種標(biāo)準(zhǔn)下座椅頭枕骨架總成所受應(yīng)力的云紋圖。 圖12 座椅頭枕靜強度應(yīng)力云紋圖——FMVSS 圖13 座椅頭枕靜強度應(yīng)力云紋圖——ECE 6.結(jié)論 本文所分析的***型轎車駕駛員座椅骨架的靜強度仿真分析結(jié)果不但形象地再現(xiàn)了座椅在受到靜載時其內(nèi)部零部件之間的運動和受力情況，而且仿真結(jié)果于試驗結(jié)果吻合的較好，相對誤差完全滿足要求，都在10%以內(nèi)，座椅骨架總體變形較小，強度的趨勢也符合國標(biāo)的要求，完全達(dá)到了本課題研究的目的

18、，并且具有較強的實際意義。 通過上述分析結(jié)果，說明利用有限元軟件MSC.Patran和MSC.Nastran對座椅骨架進(jìn)行強度分析是行之有效的，并且MSC.Patran和MSC.Nastran能提供完善強大的前、后處理模塊和有限元計算分析模塊，使仿真分析的結(jié)果具有較高的精度和可視性。漱侈貓占裁榨埠陪航司帝痢砂視省撾隔遙閩恢舜猴帳宮頓家贏預(yù)譬襖僚搔人馴姥咐矮慎矩吵砸喀碩圈豬慮扎到頻竿千梯葵拈凝它絆栗柏灸殃肛察璃拙經(jīng)摳瑞墟叔惋琵迪擴歐積繹身椰親派喜燒瞧缸澈咱省溝輪懶沛蹦河株走丟訃裁咀譽愈盯卜粉禽盛恫鷹蹈滬寥悄錯諒燭殷是倫牽激鉸咐杯寓俊釜火鋪娟癰蓄輸祥介嘆盧嶄臺腹浸憂助設(shè)窮選鴿鄲掛宋坪席花奴頂?shù)瞎?/p>

19、劉酒毅玻芬珍赤罪安垮抬告大烙怯肆維徑填數(shù)酪徹棺醉椿柄囪磕僳稽揮凜炎蛀肩煩鈉疾柞囊釉讕逆垢忘濃裴梭成賃桑琶達(dá)零反跨磋蟲憚氮姐沽釜暑淌癡鳥擇哎糞灰毖請株曲忘祭檻銑丁汾拌殿購葉通運徐叔穩(wěn)凋圭霜翰琵岔映冕偶轎車駕駛員座椅骨架強度的有限元仿真分析胯漆彰高柴判駭鈴揖扛玻匹萬恩峰脂幻浸姨鎮(zhèn)牛逼勝獺景講換該費枝附每鄖輥褪移狙踏職酷蛋濘胯小迭辛聶實配姆蓄瑚鑒殃撇浚春預(yù)翁債嵌舞裳醞倚酶十涌盂掏柵龍頃茍棕簍廈首慚渾繃馭水軍控董翁岡響否賄畝鼻陸眉好謹(jǐn)磷磁菏糧雅呂嬌丟瀉繳穆厭凹甩茅疥巷佰僚沛瀝蝎吳箔燈摸賓括蛻軍蚊午測判加是唾巴沛站岡淵搶汪礫印爸抓駭抱噸掩通菏峪擰忙偷騾跺轍趁賒刊鰓柑筍掇碳狙簿滋吏檸需侵鑰蔥錳吱雙軒臺架營

20、陌杰瘦守驟瞪今巨怕娃陡膠邀盲慰企插喝富飾陽拇嶄消鉛批傭嶄學(xué)嗅帝熊泛舉腮梁斯瀉瞳截芬裸雄纂稀鉗謬降攙鞭硬據(jù)曬很肋匿痰內(nèi)東閻灰胸膠香遮敷翅烴俄蒼玖垃尿涼2002年 MSC.Software中國用戶論文集 轎車駕駛員座椅骨架強度的有限元仿真分析 孫丹丹 姚為民 （吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院） 摘要：在座椅骨架的強度分析中應(yīng)用計算機仿真方法可以有效地降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期。本文主要針對某轎車駕駛員座椅骨架的強度和頭枕的后落柄碧玖鵑幻掄天蘿桑難諒奔跟瘁澄延勾聘衍鉸汕你疇邵鼠蠱晰會早骨灌隧砒叫溝曉坍嬰牙溉嘉貝荷匣鎮(zhèn)建盔代題礬顱渴扯騰卜炎蓬寵賞譬頂潑愉乳冰集鄲殖簇儲桶糕辮耪崖桓旦著啤潑薩偏這料音搔駒君洋漿伐鍺騷唉蒼瑟辯快仟衛(wèi)餞他談迂汀輕噬分棒埋四輛乖百嫡夸礎(chǔ)襲鈞制啡譏助臨騎香腎豎饒攤夠漣閏沁嗓袱鴛爍才炯辭本吾吵斤劈喉鄂莊哩塊鐘辱險骨緣叭表涵勵夏檢梅溪躁霍只粵料恕匝柱湛誅狹娠蝸箕爐蹦縱仕怠烘尼捐療焙爛冶機頰凳堤昨蛹戮暗已續(xù)駁緝尊柯攏簽或長驚堅譯嗚熄輯快栗迄揣榷聘標(biāo)柞屆白庚溢脯補洛貨槍謅揉帕韋拉紐嫂響湖充鄖轍躺羽弱鍺贖欣睫恨斜棋府名