轿车驾驶员座椅骨架强度的有限元仿真分析

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1、2002年MSC.Software中国用户论文集轿车驾驶员座椅骨架强度的有限元仿真分析孙丹丹姚为民（吉林大学汽车工程学院）摘要：在座椅骨架的强度分析中应用计算机仿真方法可以有效地降低开发成本、缩短开发周期。本文主要针对某轿车驾驶员座椅骨架的强度和头枕的后移量进行了仿真分析，在研究的过程中利用MSC.Software公司的有限元前、后处理软件MSC.Patran和有限元分析软件MSC.Nastran进行建模、仿真分析和结果处理，并通过试验对仿真分析的结果进行了校验。关键词：轿车座椅骨架有限元分析1.结构的几何模型

2、该轿车驾驶员座椅骨架的几何模型是对其座椅骨架的零部件进行分析、测量、简化后，在MSC.Patran提供的几何建模模块中构建完成的。首先考虑简化座椅骨架中对强度影响很小的部分，这部分结构的特点是形状较为复杂，构建几何模型时可能会有一定的困难，但在整个座椅系统中又是不可缺少的，如盆形底座中的孔结构,在整个座垫骨架总成中主要起到减轻结构重量的作用，对座椅骨架的强度基本没有影响，因此，在进行强度分析时可以暂时不考虑；还有一些零部件的设计只是满足结构上的需要，对强度的影响也很小，我们认为这部分结构可以进行适当的简化，如靠

3、背侧梁上的一些翻边和圆孔，主要辅助靠背的横、竖钢丝以及弹簧与侧梁的连接，对结构强度的影响也很小，因此该部分结构在作强度分析时也可以作适当的简化；另外，靠背骨架总成中的横、竖钢丝以及弹簧元件对座椅的强度影响不大，可以将该部分结构在建模时忽略。其次，座椅骨架中一些小的过渡圆角结构，如果在构建几何模型时将其考虑到模型中，那么在建立有限元模型时就可能产生一些质量较差的单元，因此可以在构建几何模型时不考虑这部分结构，而是在建立有限元模型时进行补充，这样处理一方面可以减轻几何建模的工作量，同时也可以减少在划分有限单元时由于

4、孔洞结构带来的质量较差的单元，这对提高计算精度也很有意义。2.结构的有限元模型MSC.Patran中的有限元模块，为用户提供了丰富的单元库，对不同的结构如杆、梁、板、实体进行有限元定义十分方便。本文研究的座椅骨架主要是由诸多薄板件和长管结构件焊接而成的，在使用过程中经常会受到弯曲力和剪切力的作用，因此在进行有限元模型定义时主要采用SHELL板单元和BEAM梁单元。另外，由于座椅骨架总成结构中薄板与薄板之间、薄板件与杆件之间的连接常常采用缝焊或点焊来完成，对这种连接方式在进行有限元划分时主要采用2002年MSC.

5、Software中国用户论文集RBE2刚性元来定义；与此同时，图1轿车驾驶员座椅骨架有限元模型在几何模型中没有建模的一些圆角结构也应作适当的定义。经过以上工作，建立完成的座椅骨架有限元模型包含单元2751个，其中SHELL板单元2491个，BEAM梁单元178个，RBE2单元82个。骨架结构的有限元模型见图1。3.结构的材料及边界条件该轿车驾驶员座椅在结构上多采用焊接的连接方式，这就要求焊接件应采用低碳钢元件为宜，本文研究的座椅骨架中大部分材料采用普通的钢管和钢板,其中金属材料的弹性模量为E=2.1e5Mpa，

6、材料的泊松系数为ν=0.3，材料的密度为ρ=7.8e6g/m；座椅头枕骨架采用的是聚乙烯塑料，材料的弹性模量为E=930Mpa，材料的密度为ρ=9.5e5g/m。在定义边界条件时，根据座椅与车身的连接方式，对有限元模型中与实际连接位置相对应的节点进行自由度约束。该座椅骨架与车身地板的连接是通过左右滑道和中间滑轨实现的，因此在定义边界条件时根据实际的连接位置将这三点的自由度约束即可。图2为座椅边界条件添加示意图：4.结构的载荷工况根据国标的规定，座椅总成的强度应满足三方面的要求：首先，座椅总成的静强度应满足：向座

7、椅总成的质心处施加20倍座椅总成重力的载荷时，座椅不应失效；其次，座椅总成的动强度应满足：在座椅总成的质心处施加水平方向20g加、减速度时,座椅能承受并且座椅不与车体分离；再次，座椅头枕的静强度应满足：在靠背承受相对于座椅参考点373NM的力矩的同时，向头枕施加890N载荷，头枕应不先于座椅靠背和坐垫破坏；另外，从座椅头枕安全性的角度考虑：头枕在承受相对于座椅参考点373NM的力矩时，其后移量不应超过102mm。根据以上要求分别定义以下四种工况：4.1座椅总成静强度工况由于座椅总成中的软垫和蒙皮对座椅的强度影响

8、很小，因此在本文中只对***型轿车驾驶员座椅进行骨架部分的建模，在模拟座椅静强度工况时，由于标准中规定，载荷应添加在座椅总成的质心处，那么在不考虑软垫结构的条件下，座椅的质心是与有限元模型分离的，这就给载荷的添加带来了困难，我们利用MSC.Patran中提供的多点约束来实现载荷从质心位置到座椅骨架的传递，则载荷的大小为座椅总成质量的20倍，载荷的方向为水平向前、向后。2002年MSC.