基于CATIA有限元分析模塊的結構優化設計

朱文祥　張微娜

摘 要：以汽車座椅靠背骨架解鎖手柄為例，介紹CATIA軟件中有限元分析模塊和DMU運動模塊在汽車零部件設計過程中的應用以及結構優化設計，通過利用CATIA軟件對解鎖手柄的應力應變分析結果對其進行優化設計，從而滿足企業標準。

關鍵詞：解鎖手柄；有限元分析；CATIA

中圖分類號： U462 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）25-201-2

0 引言

CATIA軟件作為功能強大的計算機輔助設計軟件，已經被廣泛地應用到汽車零部件設計領域，在汽車零部件產品設計過程中，CATIA不僅可提供3D、2D的設計工作，還可進行產品的有限元分析以及DMU運動仿真分析，提高產品的設計質量，大大降低了產品的開發費用。

本文以汽車座椅骨架的零部件設計為例，利用CATIA軟件，進行3D建模、2D設計，通過有限元分析進一步對產品進行優化設計，最終達到設計的最優方案。

1 產品三維設計方案建立

汽車座椅作為汽車重要的系統之一，可實現前后滑動、升降調節以及靠背角度調節等多方向調節，其中手動靠背角度調節功能的實現是通過解鎖手柄運動帶動調角器圓盤運動，調角器圓盤與靠背邊板進行連接，從而實現靠背角度調節。通過周邊環境的校核以及調角器自身的性能，確定調角器解鎖手柄的初步方案，初步設定解鎖手柄材質為Q345，料厚為2.5mm。

利用CATIA三維建模模塊進行數據的設計，初步方案見圖1所示。

2 產品零部件標準的建立

解鎖手柄的側向剛度需要建立標準，側向剛度太弱，乘客在調節靠背過程中，調角器手柄與座椅旁側板干涉，產生劃痕，乘客抱怨，為避免此類失效問題發生，汽車行業標準QC/T 844-2011特針對此制定了相關的標準，具體如下。

標準要求：手動調角器手柄的側向變形量（S=S1+S2）不大于15mm，只有一側施加力時，變形量S1或S2均不大于10mm。

實驗方法：如圖2所示，將模擬的靠背骨架總成置于剛性夾具上，按如下步驟進行操作：①在圖示距離手柄末端20mm處均勻施加一水平向左的力F1（49N），最大變形量S1；②然后向右方向施加力F2（49N）的力，最大變形量為S2；③變形量在施力點通過百分比測量。

根據建立的標準，利用CATIA有限元分析模塊，對解鎖手柄進行有限元分析，此項分析只針對調角器解鎖手柄，對3D模型進行簡化，去除調角器、靠背邊板、座靠連接板等零部件，利用CATIA軟件Generative Structwral Analysis 模塊進行網格劃分和有限元模型建立。

3 零部件有限元模型的建立及優化處理

3.1 材質設定

CATIA軟件可對零部件直接賦予材質的屬性（圖3），也可通過CATIA 基礎結構模塊根據選用材料的類別自定義材料的屬性（圖4）。

本文采用第一種方法，直接賦予零件Steel材質。

3.2 網格劃分和有限元模型建立

網格劃分越細，計算結果越準確，當然計算時間越長，對于解鎖手柄零部件，結構相對簡單，通過CATIA自動網格劃分所得出的計算結果精度誤差不會太大。可通過分析報告命令對結果進行查看。

3.3 有限元分析結果

按照標準要求，對零部件進行邊界設置，并施加載荷。通過CATIA結果顯示功能分別顯示馮·米斯應力圖、變形位移云圖，對比材料的屈服極限以及標準法規，查看初步方案是否滿足設計要求。

通過節點位移云圖，可知解鎖手柄最大位移變形量為10.8mm，不滿足標準單邊施加力值，變形量≤10mm，需要對設計進行優化；

圖5顯示解鎖手柄的Von Mises應力云圖，通過結果顯示解鎖手柄在彎角處所受到的應力最大，達到了361MPa，可通過增加翻遍以及增加加強筋的方式進行優化處理。

3.4 解鎖手柄的結構優化

CATIA軟件最大的優點之一為參數化設計，設計人員可通過參數的調整來確認有限元分析結果是否符合設計要求，而無須再重新對零部件進行網格劃分、邊界處理等步驟，大大節省了設計人員的時間。

通過三維設計模塊直接進行數據參數調整，通過增加加強筋以及翻邊處理，對零部件進行結構優化，由更改后零部件的位移云圖和Von Mises應力云圖可知，更改后零部件的最大位移變形量5.16mm，最大應力為223MPa，兩者均滿足標準設計要求，證明零部件結構優化方案有效。

4 DMU運動環境校核

CATIA軟件DMU模塊提供了較為便利的運動仿真功能，可利用此模塊來進行干涉、距離檢查。主要步驟如下：

步驟1：創建運動機構及運動副；步驟2：定義命令；步驟3：定義固定件；步驟4：機構運動模擬；

通過干涉以及距離分析功能進行模擬，分析零部件與周邊環境是否干涉以及與周邊環境的最小距離，本實例解鎖手柄最大解鎖角度為30°，通過DMU模擬解鎖手柄運行軌跡，通過圖6可見，解鎖手柄由初始位置到最大解鎖角度30°位置運行范圍內，解鎖手柄與其他零部件最小距離在最大解鎖角度位置，距離值為0.998mm，基于相鄰運動零部件最小距離≥5mm的設計規范，可再對解鎖手柄進行結構優化，保證解鎖手柄運行過程中與其他零部件最小距離≥5mm，此處不再進行詳細處理。

5 結束語

利用CATIA V5高級建模功能，在對解鎖手柄進行參數化建模的基礎上，對解鎖手柄進行了有限元模型的建立和有限元分析，得出了解鎖手柄應力等值分布圖以及變形位移圖，通過圖形可直觀的分析出解鎖手柄是否滿足設計要求，同時利用DMU運動仿真，檢查解鎖手柄與相鄰零部件是否干涉以及最小距離，避免了以往被動的校核設計方法，同時利用CATIA的參數化設計，可直接更改參數，無須再去對零部件進行網格劃分以及邊界設置，大大降低了設計人員的效率，保證了設計的穩定性和可靠性。

參 考 文 獻

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