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

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；.遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 00）

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

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.遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 1121001）

針對汽車座椅在動態載荷作用下的強度校核和振動特性分析需要，在Solidworks軟件中建立汽車座椅骨架的數字模型，利用Solidworks Simulation模塊對座椅骨架數字模型進行模態分析，得到汽車座椅骨架的前15階模態結果。根據模態分析結果，確定諧波激勵的頻率范圍，對座椅骨架進行諧波振動分析，選取重點關注的8個節點繪制了應力/頻率響應特性曲線和位移/頻率響應特性曲線。結果表明：考慮實際使用條件，所設計的座椅骨架強度在安全范圍內；最大振動位移產生的位置在橫梁頂端處，與實際情況相符合，為后續的座椅蒙皮等隔震原件選擇和布置提供了依據。

Solidworks；汽車座椅；模態分析；振動特性分析

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飾件，對整車的舒適性和安全性起到了至關重要的影響。由于汽車座椅是和整車直接相連的部件，路面不平度激勵通過懸架系統傳遞到車身的振動能量會直接加載到汽車座椅上，進而對乘坐的舒適性產生重要的影響。此外，座椅還承受著在起步、停車等不同工況下人體對椅面和靠背的沖擊力，在研究汽車座椅的振動特性和結構安全時，很難復現座椅的復雜受力情況。為了模擬復雜外力的影響，可將外界激勵簡化為簡諧激勵，研究座椅骨架在某一頻率范圍內的簡諧激勵作用下的響應特性。

1、模型的建立

1.1三維數字模型的建立

在不影響有限元分析結果的前提下，對汽車座椅機構進行了相應的簡化以提高仿真效率。本座椅骨架模型包括以下部件：座椅靠背、座筐、靠背角度調節裝置、前后調節裝置、高度調節裝置、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

有限元模型建立過程包括以下關鍵步驟：1.應用材料；2.添加約束和邊界條件；3.施加載；4.劃分網格；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構鋼Q235-A（F），座筐采用的是鋁合金材料5554-O （GB），調節機構采用的是結構鋼材料20Mn。三種材料的特性如下表1所示。根據實際的使用條件，對座椅的腳支撐施加固定約束。

表1　座椅骨架材料參數

本模型中座椅橫梁采用的是梁單元，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，高度調節機構和電機的安裝孔采用的是Solidworks中提供的虛擬剛性銷連接。網格劃分完成后，單元總數為504589，節點總數為847661。

2、汽車座椅骨架的模態求解與分析

模態分析可以確定結構固有的振動響應特性，同時模態分析結果也是諧波分析時所需的重要參數。為了準確的反映汽車座椅骨架的動態特性，將汽車座椅骨架的固有頻率全部包括在分析內，在進行汽車座椅骨架的諧波振動分析前需要對座椅骨架進行模態分析。由實驗表明，結構的阻尼特性和外力對結構的固有頻率和阻尼的影響較小[1]，故在對結構的固有頻率進行求解時可以忽略阻尼的影響。

在Solidworks Simulation的振動分析模塊中創建算例，忽略阻尼和外力的影響，設置算例屬性為計算前15階模態，解算器選擇FFEplus。運行后得到模型的前15階模態，結果如表2所示，部分振型圖解如圖3所示。

表2　汽車座椅骨架模態分析結果

圖2　汽車座椅骨架的部分振型

汽車座椅振動動態特性對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]。汽車座椅的模態分析結果表明，座椅骨架的一階固有頻率為39.317Hz，避開了這一頻率段。同時，確定了汽車座椅骨架的前15階模態在39-350Hz范圍內，為下一步的諧波分析提供了依據。

3、汽車座椅骨架的諧波分析

諧波響應分析的目的在于，通過計算物體在某一頻率范圍內的簡諧振動載荷激勵作用下的響應特性，包括位移響應特性和應力響應特性等。通過分析響應特性曲線，可以直觀的了解物體在不同頻率簡諧激勵下的應力和位移峰值響應值以及對應的頻率。根據上一步模態分析的結果，取座椅骨架前 12階的固有頻率作為分析對象，將分析頻率設定在 0-300Hz，載荷步設為2Hz。

為了模擬座椅的實際使用工況，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，運行算例。求解結束后，根據云圖分布選取8個相對重要的點來分析座椅的響應特性，包括座椅靠背頂端橫梁中部、中間橫梁、高度調節機構等處，各點分布如圖4所示。

圖3　8個節點的分布

通過掃頻的方式，分別求解這六個點的位移和應力的響應特性，座椅骨架上8點在0-300Hz的位移/頻率和應力/頻率響應特性,如圖5所示。

圖4　座椅骨架上的8個節點的響應特性

由響應特性圖可以發現，位移和應力峰值都出現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力值最大，這與理論相符合。峰值應力發生在前高度調節機構上的180493節點，值為16.2MPa，峰值應力遠低于高度調節機構所選用材料20Mn的屈服強度185Mpa，符合設計強度要求。峰值位移發生在座椅靠背頂端橫梁上的 166109節點，值為1.58mm。在下一步選擇頭枕等緩沖材料時，可針對位移響應結果，在位移響應較大處選用阻尼較大的材料，通過材料的緩沖作用降低振幅，提高乘坐舒適性。

4、結論

本文通過建立某型汽車座椅骨架數字模型，對座椅骨架數字模型進行了諧波振動分析，得到了座椅骨架的位移和應力響應特性曲線。通過分析應力響應特性曲線，確定座椅骨架強度在安全范圍內。通過分析位移響應特性曲線，確定了振動過程中最大位移產生的位置在橫梁頂端處，為后續的座椅蒙皮等隔震原件選擇和布置提供了依據。

[1] 薛宇.基于發動機激勵下的客車骨架動態特性分析[J].湖北汽車工業學院學報,2011,25(01):14-17.

[2] 張昕宇.駕駛座椅腰部支撐結構設計及座椅有限元設計[D].沈陽:東北大學,2012:53-60.

[3] 李曉雷,俞德孚,孫逢春.機械振動基礎2版[M],北京:北京理工大學出版社,2010.

[4] 陳超祥,胡其登.Solid Simulation Premium振動分析教程[M].北京:機械工業出版社,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。