汽車座椅骨架的分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)

姚旺

摘要：當(dāng)今，汽車的數(shù)量與日俱增。特別是小轎車的增長(zhǎng)。與此同時(shí)，安全和舒適在人內(nèi)心被看得愈發(fā)深重。人坐在汽車?yán)锩媸桥c座椅直接接觸的，所以人們開始重視它的安全性和舒適性，這是汽車座椅研究的主要方向。在查閱相關(guān)的論文后，簡(jiǎn)要明白了座椅骨架的設(shè)計(jì)原則和現(xiàn)在的研究情況。在論文的初期工作就是畫出骨架的UG三維模型，再而使用hypermesh軟件來做有限元的后期分析。參考國(guó)標(biāo)對(duì)于座椅骨架的靠背和總成的強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，利用hypermesh軟件對(duì)某轎車座椅骨架的靠背和總成進(jìn)行仿真分析。對(duì)仿真分析的結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)骨架結(jié)構(gòu)做優(yōu)化和改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：汽車座椅;有限元法;靜強(qiáng)度;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 本課題的研究?jī)?nèi)容

本論文需要先準(zhǔn)備好骨架的三維模型。本文使用UG這個(gè)軟件來畫座椅骨架的三維模型。在畫三維模型前，需要查閱資料來明白座椅骨架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，工作過程，以及設(shè)計(jì)要求。最后的工作就是把三維模型做一個(gè)有限元模擬仿真分析，使用hypermesh這個(gè)軟件來做。然后以分析得到的結(jié)果為基礎(chǔ)來優(yōu)化改進(jìn)我的骨架模型。

2 座椅骨架的結(jié)構(gòu)及三維處理

在做分析之前，本論文需要設(shè)置出座椅骨架的有限元模型，設(shè)置好了模型后才能夠?qū)ψ喂羌艿淖鰪?qiáng)度計(jì)算。本文根據(jù)某一個(gè)品牌的汽車座椅骨架CAD模型作一些適當(dāng)?shù)膭h減，把復(fù)雜的三維模型中一些對(duì)于骨架的強(qiáng)度分析不相關(guān)或者不怎么相關(guān)的細(xì)節(jié)去除掉，在簡(jiǎn)化完成后就可以使用hypermesh軟件做前處理了。

3 座椅骨架前處理

骨架的分析原本按照法則有很多，然則顧忌到知識(shí)儲(chǔ)備量和時(shí)間的關(guān)系，本論文只對(duì)骨架的靜強(qiáng)度做分析。

為了完成骨架靜強(qiáng)度分析的工作。除了前期一些基本理論的學(xué)習(xí)和三維模型的繪制。最重要的工作就是畫出契合論文整體要求的有限元模型。

具體做法如下：

（1）明確有限元單元類型。

（2）劃分網(wǎng)格和連接。

（3）定義材料。

（4）加載。

（5）約束。

（6）編輯屬性卡及賦予屬性。

4 骨架靠背仿真校核

根據(jù)我國(guó)GB15083-1994的規(guī)定。在靠背的質(zhì)心處添加相對(duì)于座椅參考點(diǎn)R點(diǎn)，施加大小為373N·m的力矩。通過三維模型的數(shù)據(jù)，在UG里面打開后測(cè)量了靠背質(zhì)心和座椅R點(diǎn)之間的距離為259mm。所以用373N.M除以259mm，再帶入單位的位數(shù)裝換得出施加在靠背質(zhì)心上的載荷為1440N。

按照法規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)在靠背骨架上加的載荷大小為1440N。具體的受力點(diǎn)如圖4.1：

4.1 骨架靠背分析結(jié)果

從圖4.2可以看到，在靠背骨架承受了1440N的載荷后整個(gè)結(jié)構(gòu)幾乎沒有變化。首先，骨架的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的。那么在坐墊左右兩邊的邊板扶手上的應(yīng)力分布也應(yīng)該是齊平的。從圖可以看到，在靠背骨架和坐墊骨架的連接處應(yīng)力較大。調(diào)節(jié)器與靠背的骨架連接處應(yīng)力較大。兩邊的邊板上也有較大應(yīng)力。從圖中可以看出，最大的應(yīng)力為256.7MPa。

在坐墊骨架和靠背骨架的連接處有最大應(yīng)力。最大值為256.7Mpa。兩邊的邊板所采用的材料是St12 鋼，厚度1.8mm。屈服極限為280Mpa。在1440大小的壓力下，兩邊邊板的應(yīng)力沒有超過材料的屈服極限。整個(gè)骨架結(jié)構(gòu)處于彈性階段。

由圖 4.3可知，骨架在受1440N大小的載荷時(shí)。骨架的位移量很小，坐墊骨架和腳架看起來沒有移動(dòng)。在骨架靠背總成承受了1440N大小的力后，整個(gè)結(jié)構(gòu)位移不大。最大位移出現(xiàn)在靠背骨架的最上端。最大位移為4.363mm。由此可得，我們的結(jié)構(gòu)是符合國(guó)標(biāo)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的。

5 座椅結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在前面工作的基礎(chǔ)上，本文所分析的座椅骨架在國(guó)標(biāo)的框定標(biāo)準(zhǔn)里是符合要求的。但是，本文的工作除了分析，還有另外一部分工作——那就是做優(yōu)化。所謂做優(yōu)化，就是對(duì)一些應(yīng)力比較大的地方，或者應(yīng)變較大的地方做些許尺寸上的改進(jìn)。從而使得骨架的整體構(gòu)造更合理。通過對(duì)分析結(jié)果的研究，本論文決定優(yōu)化的方案從靠背骨架入手。

5.1 骨架優(yōu)化部位的確定

從前面的分析結(jié)果可知，本論文里的骨架在目前的結(jié)構(gòu)下是符合各項(xiàng)要求的，在分析靠背骨架時(shí)，載荷的點(diǎn)較高。這樣導(dǎo)致了：

（1）高載荷點(diǎn)時(shí)靠背受力大。

（2）低載荷點(diǎn)時(shí)靠背受力大。

靠背骨架由一條彎曲的鋼管和兩邊的邊板組成。影響鋼管強(qiáng)度和剛度的是：

（1）材料材料。

（2）結(jié)構(gòu)尺寸。

本文最初上框的尺寸和材料為：

（1）直徑25mm。

（2）厚度1.8mm。

（3）材料為St12。

由以上論述，本文決定在上框的尺寸方面做優(yōu)化。

5.2 靠背上框改進(jìn)優(yōu)化

通過對(duì)其它設(shè)計(jì)的研究。對(duì)于本文的靠背骨架的優(yōu)化。材料不改變。尺寸改變。具體如下：

（1）對(duì)原結(jié)構(gòu)上框分析。

（2）從厚度和直徑入手。

（3）對(duì)新的結(jié)構(gòu)做分析。

（4）分析對(duì)比。

（5）優(yōu)化結(jié)構(gòu)確定。

5.3 原結(jié)構(gòu)上框仿真

如圖5.1：在靠背骨架的最高端施加一個(gè)700N大小的載荷。這樣來看尺寸的改變對(duì)強(qiáng)度和剛度的影響。

從圖5.2可得，在對(duì)上框施加700N大小的力時(shí)：

（1）上框的最大位移為7.23mm。

（2）最大位移在上框。

從圖5.3可得，在對(duì)上框施加700N大小的力時(shí)：最大應(yīng)力出現(xiàn)在坐墊兩邊的邊板和坐墊與靠背的連接處，最大應(yīng)力為239.9MPa，處于材料的屈服極限內(nèi)。所以：

（1）上框的鋼管直徑減小到22mm。

（2）坐墊邊板厚度減小到1.5mm。

（3）以同樣加載對(duì)結(jié)構(gòu)仿真。

5.4 新結(jié)構(gòu)上框仿真

從圖5.4中可以看到，在減小上框鋼管直徑到22mm后：

（1）最大位移在上框。

（2）最大位移10.99mm。

由此可得，新的尺寸符合要求。

從圖5.5中可以看到，在邊板厚度減小到1.5mm后：最大應(yīng)力出現(xiàn)在坐墊兩邊的邊板和坐墊與靠背的連接處，最大應(yīng)力為267.1MPa。通過減小原結(jié)構(gòu)靠背上框的鋼管直徑和邊板的厚度，使得新的結(jié)構(gòu)更加輕量化，符合要求。

結(jié)論：最初上框的尺寸和材料為：直徑25mm，厚度1.8mm，材料為St12;在符合國(guó)標(biāo)的力學(xué)要求下，減小直徑為22mm，厚度1.5mm，材料依舊為St12;通過這樣的優(yōu)化，使得我們的骨架結(jié)構(gòu)更加輕量化，符合要求。