薛玉斌，王宏偉，孫曉幫，郭文濤（.錦州立德減振器有限公司，遼寧 錦州 007；.遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 00）

基于SolidWorks simulation的某型汽車座椅骨架的諧波振動(dòng)特性分析

薛玉斌1，王宏偉2，孫曉幫2，郭文濤2
（1.錦州立德減振器有限公司，遼寧 錦州 121007；2.遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 1121001）

針對(duì)汽車座椅在動(dòng)態(tài)載荷作用下的強(qiáng)度校核和振動(dòng)特性分析需要，在Solidworks軟件中建立汽車座椅骨架的數(shù)字模型，利用Solidworks Simulation模塊對(duì)座椅骨架數(shù)字模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到汽車座椅骨架的前15階模態(tài)結(jié)果。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，確定諧波激勵(lì)的頻率范圍，對(duì)座椅骨架進(jìn)行諧波振動(dòng)分析，選取重點(diǎn)關(guān)注的8個(gè)節(jié)點(diǎn)繪制了應(yīng)力/頻率響應(yīng)特性曲線和位移/頻率響應(yīng)特性曲線。結(jié)果表明：考慮實(shí)際使用條件，所設(shè)計(jì)的座椅骨架強(qiáng)度在安全范圍內(nèi)；最大振動(dòng)位移產(chǎn)生的位置在橫梁頂端處，與實(shí)際情況相符合，為后續(xù)的座椅蒙皮等隔震原件選擇和布置提供了依據(jù)。

Solidworks；汽車座椅；模態(tài)分析；振動(dòng)特性分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.037

CLC NO.: TQ336.4Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-102-03

引言

汽車座椅是唯一和人體直接接觸的汽車內(nèi)飾件，對(duì)整車的舒適性和安全性起到了至關(guān)重要的影響。由于汽車座椅是和整車直接相連的部件，路面不平度激勵(lì)通過(guò)懸架系統(tǒng)傳遞到車身的振動(dòng)能量會(huì)直接加載到汽車座椅上，進(jìn)而對(duì)乘坐的舒適性產(chǎn)生重要的影響。此外，座椅還承受著在起步、停車等不同工況下人體對(duì)椅面和靠背的沖擊力，在研究汽車座椅的振動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)安全時(shí)，很難復(fù)現(xiàn)座椅的復(fù)雜受力情況。為了模擬復(fù)雜外力的影響，可將外界激勵(lì)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧激勵(lì)，研究座椅骨架在某一頻率范圍內(nèi)的簡(jiǎn)諧激勵(lì)作用下的響應(yīng)特性。

1、模型的建立

1.1三維數(shù)字模型的建立

在不影響有限元分析結(jié)果的前提下，對(duì)汽車座椅機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化以提高仿真效率。本座椅骨架模型包括以下部件：座椅靠背、座筐、靠背角度調(diào)節(jié)裝置、前后調(diào)節(jié)裝置、高度調(diào)節(jié)裝置、腳支撐，如圖1所示。

圖1　座椅骨架三維模型

1.2汽車座椅有限元模型的建立

有限元模型建立過(guò)程包括以下關(guān)鍵步驟：1.應(yīng)用材料；2.添加約束和邊界條件；3.施加載；4.劃分網(wǎng)格；5.求解模型。本汽車座椅CAD模型中，座椅靠背骨架采用的是碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-A（F），座筐采用的是鋁合金材料5554-O （GB），調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用的是結(jié)構(gòu)鋼材料20Mn。三種材料的特性如下表1所示。根據(jù)實(shí)際的使用條件，對(duì)座椅的腳支撐施加固定約束。

表1　座椅骨架材料參數(shù)

本模型中座椅橫梁采用的是梁?jiǎn)卧?，座筐采用的是面單元，其他部件采用的是二階四面體單元，不同部件之間的面接觸方式采用的是接合方式，高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和電機(jī)的安裝孔采用的是Solidworks中提供的虛擬剛性銷連接。網(wǎng)格劃分完成后，單元總數(shù)為504589，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為847661。

2、汽車座椅骨架的模態(tài)求解與分析

模態(tài)分析可以確定結(jié)構(gòu)固有的振動(dòng)響應(yīng)特性，同時(shí)模態(tài)分析結(jié)果也是諧波分析時(shí)所需的重要參數(shù)。為了準(zhǔn)確的反映汽車座椅骨架的動(dòng)態(tài)特性，將汽車座椅骨架的固有頻率全部包括在分析內(nèi)，在進(jìn)行汽車座椅骨架的諧波振動(dòng)分析前需要對(duì)座椅骨架進(jìn)行模態(tài)分析。由實(shí)驗(yàn)表明，結(jié)構(gòu)的阻尼特性和外力對(duì)結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼的影響較小[1]，故在對(duì)結(jié)構(gòu)的固有頻率進(jìn)行求解時(shí)可以忽略阻尼的影響。

在Solidworks Simulation的振動(dòng)分析模塊中創(chuàng)建算例，忽略阻尼和外力的影響，設(shè)置算例屬性為計(jì)算前15階模態(tài)，解算器選擇FFEplus。運(yùn)行后得到模型的前15階模態(tài)，結(jié)果如表2所示，部分振型圖解如圖3所示。

表2　汽車座椅骨架模態(tài)分析結(jié)果

圖2　汽車座椅骨架的部分振型

汽車座椅振動(dòng)動(dòng)態(tài)特性對(duì)乘員的乘坐舒適性有重要影響。人體的共振頻率主要分布在30Hz以下的低頻段[2]。汽車座椅的模態(tài)分析結(jié)果表明，座椅骨架的一階固有頻率為39.317Hz，避開了這一頻率段。同時(shí)，確定了汽車座椅骨架的前15階模態(tài)在39-350Hz范圍內(nèi)，為下一步的諧波分析提供了依據(jù)。

3、汽車座椅骨架的諧波分析

諧波響應(yīng)分析的目的在于，通過(guò)計(jì)算物體在某一頻率范圍內(nèi)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)載荷激勵(lì)作用下的響應(yīng)特性，包括位移響應(yīng)特性和應(yīng)力響應(yīng)特性等。通過(guò)分析響應(yīng)特性曲線，可以直觀的了解物體在不同頻率簡(jiǎn)諧激勵(lì)下的應(yīng)力和位移峰值響應(yīng)值以及對(duì)應(yīng)的頻率。根據(jù)上一步模態(tài)分析的結(jié)果，取座椅骨架前 12階的固有頻率作為分析對(duì)象，將分析頻率設(shè)定在 0-300Hz，載荷步設(shè)為2Hz。

為了模擬座椅的實(shí)際使用工況，在座筐上表面施加75KG的分布載荷，靠背中部的橫梁上施加100N的載荷，座椅支撐腳的下表面施加1000N的載荷，運(yùn)行算例。求解結(jié)束后，根據(jù)云圖分布選取8個(gè)相對(duì)重要的點(diǎn)來(lái)分析座椅的響應(yīng)特性，包括座椅靠背頂端橫梁中部、中間橫梁、高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等處，各點(diǎn)分布如圖4所示。

圖3　8個(gè)節(jié)點(diǎn)的分布

通過(guò)掃頻的方式，分別求解這六個(gè)點(diǎn)的位移和應(yīng)力的響應(yīng)特性，座椅骨架上8點(diǎn)在0-300Hz的位移/頻率和應(yīng)力/頻率響應(yīng)特性,如圖5所示。

圖4　座椅骨架上的8個(gè)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)特性

由響應(yīng)特性圖可以發(fā)現(xiàn)，位移和應(yīng)力峰值都出現(xiàn)在座椅的固有頻率附近，且1階固有頻率附近的位移值和應(yīng)力值最大，這與理論相符合。峰值應(yīng)力發(fā)生在前高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上的180493節(jié)點(diǎn)，值為16.2MPa，峰值應(yīng)力遠(yuǎn)低于高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所選用材料20Mn的屈服強(qiáng)度185Mpa，符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。峰值位移發(fā)生在座椅靠背頂端橫梁上的 166109節(jié)點(diǎn)，值為1.58mm。在下一步選擇頭枕等緩沖材料時(shí)，可針對(duì)位移響應(yīng)結(jié)果，在位移響應(yīng)較大處選用阻尼較大的材料，通過(guò)材料的緩沖作用降低振幅，提高乘坐舒適性。

4、結(jié)論

本文通過(guò)建立某型汽車座椅骨架數(shù)字模型，對(duì)座椅骨架數(shù)字模型進(jìn)行了諧波振動(dòng)分析，得到了座椅骨架的位移和應(yīng)力響應(yīng)特性曲線。通過(guò)分析應(yīng)力響應(yīng)特性曲線，確定座椅骨架強(qiáng)度在安全范圍內(nèi)。通過(guò)分析位移響應(yīng)特性曲線，確定了振動(dòng)過(guò)程中最大位移產(chǎn)生的位置在橫梁頂端處，為后續(xù)的座椅蒙皮等隔震原件選擇和布置提供了依據(jù)。

[1] 薛宇.基于發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)下的客車骨架動(dòng)態(tài)特性分析[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2011,25(01):14-17.

[2] 張昕宇.駕駛座椅腰部支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及座椅有限元設(shè)計(jì)[D].沈陽(yáng):東北大學(xué),2012:53-60.

[3] 李曉雷,俞德孚,孫逢春.機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)2版[M],北京:北京理工大學(xué)出版社,2010.

[4] 陳超祥,胡其登.Solid Simulation Premium振動(dòng)分析教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

The Vibration Characteristic Analysis on A Certain Type of Car Seat Frames Based
on SolidWorks Simulation

Xue Yubin1, Wang Hongwei2, Sun Xiaobang2, Guo Wengtao2
( 1.Jinzhou Leader Shock Absorber Co., Ltd., Liaoning Jinzhou 121007; 2.Auto & Transportation Engineering College, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001 )

In order to analysis the strength and vibration characteristics of the car seat under the dynamic load ,the digital model of car seat frame was set up in Solidworks, modal analysis was carried out by Solidworks Simulatin, and the results of the first 15 modal of car seat frame was got. Then harmonic vibration analysis was carried out on the seat frame, eight important nodes were selected to draw stress/frequency response curves and displacement/frequency response curves. The results show that the strength of the seat frame is in the safe range, and the position of the maximum vibration displacement is in the top of the beam, which can the basis for the selection and layout of the Seismic isolation, such as seat skin, etc.

Solidworks; car seats; modal analysis; vibration characteristic analysis

TQ336.4

A

1671-7988（2015）12-102-03

薛玉斌，就職于錦州立德減振器有限公司。