汽車座椅骨架的分析和改進設計

姚旺

摘要：當今，汽車的數量與日俱增。特別是小轎車的增長。與此同時，安全和舒適在人內心被看得愈發深重。人坐在汽車里面是與座椅直接接觸的，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。在查閱相關的論文后，簡要明白了座椅骨架的設計原則和現在的研究情況。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。參考國標對于座椅骨架的靠背和總成的強度測試標準，利用hypermesh軟件對某轎車座椅骨架的靠背和總成進行仿真分析。對仿真分析的結果進行分析，對骨架結構做優化和改進。

關鍵詞：汽車座椅;有限元法;靜強度;結構優化

1 本課題的研究內容

本論文需要先準備好骨架的三維模型。本文使用UG這個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構特點，工作過程，以及設計要求。最后的工作就是把三維模型做一個有限元模擬仿真分析，使用hypermesh這個軟件來做。然后以分析得到的結果為基礎來優化改進我的骨架模型。

2 座椅骨架的結構及三維處理

在做分析之前，本論文需要設置出座椅骨架的有限元模型，設置好了模型后才能夠對座椅骨架的做強度計算。本文根據某一個品牌的汽車座椅骨架CAD模型作一些適當的刪減，把復雜的三維模型中一些對于骨架的強度分析不相關或者不怎么相關的細節去除掉，在簡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，然則顧忌到知識儲備量和時間的關系，本論文只對骨架的靜強度做分析。

為了完成骨架靜強度分析的工作。除了前期一些基本理論的學習和三維模型的繪制。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

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

按照法規的標準在靠背骨架上加的載荷大小為1440N。具體的受力點如圖4.1：

4.1 骨架靠背分析結果

從圖4.2可以看到，在靠背骨架承受了1440N的載荷后整個結構幾乎沒有變化。首先，骨架的結構是對稱的。那么在坐墊左右兩邊的邊板扶手上的應力分布也應該是齊平的。從圖可以看到，在靠背骨架和坐墊骨架的連接處應力較大。調節器與靠背的骨架連接處應力較大。兩邊的邊板上也有較大應力。從圖中可以看出，最大的應力為256.7MPa。

在坐墊骨架和靠背骨架的連接處有最大應力。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，兩邊邊板的應力沒有超過材料的屈服極限。整個骨架結構處于彈性階段。

由圖 4.3可知，骨架在受1440N大小的載荷時。骨架的位移量很小，坐墊骨架和腳架看起來沒有移動。在骨架靠背總成承受了1440N大小的力后，整個結構位移不大。最大位移出現在靠背骨架的最上端。最大位移為4.363mm。由此可得，我們的結構是符合國標的法規標準的。

5 座椅結構的優化設計

在前面工作的基礎上，本文所分析的座椅骨架在國標的框定標準里是符合要求的。但是，本文的工作除了分析，還有另外一部分工作——那就是做優化。所謂做優化，就是對一些應力比較大的地方，或者應變較大的地方做些許尺寸上的改進。從而使得骨架的整體構造更合理。通過對分析結果的研究，本論文決定優化的方案從靠背骨架入手。

5.1 骨架優化部位的確定

從前面的分析結果可知，本論文里的骨架在目前的結構下是符合各項要求的，在分析靠背骨架時，載荷的點較高。這樣導致了：

（1）高載荷點時靠背受力大。

（2）低載荷點時靠背受力大。

靠背骨架由一條彎曲的鋼管和兩邊的邊板組成。影響鋼管強度和剛度的是：

（1）材料材料。

（2）結構尺寸。

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化。

5.2 靠背上框改進優化

通過對其它設計的研究。對于本文的靠背骨架的優化。材料不改變。尺寸改變。具體如下：

（1）對原結構上框分析。

（2）從厚度和直徑入手。

（3）對新的結構做分析。

（4）分析對比。

（5）優化結構確定。

5.3 原結構上框仿真

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

從圖5.2可得，在對上框施加700N大小的力時：

（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，在對上框施加700N大小的力時：最大應力出現在坐墊兩邊的邊板和坐墊與靠背的連接處，最大應力為239.9MPa，處于材料的屈服極限內。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）以同樣加載對結構仿真。

5.4 新結構上框仿真

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：最大應力出現在坐墊兩邊的邊板和坐墊與靠背的連接處，最大應力為267.1MPa。通過減小原結構靠背上框的鋼管直徑和邊板的厚度，使得新的結構更加輕量化，符合要求。

結論：最初上框的尺寸和材料為：直徑25mm，厚度1.8mm，材料為St12;在符合國標的力學要求下，減小直徑為22mm，厚度1.5mm，材料依舊為St12;通過這樣的優化，使得我們的骨架結構更加輕量化，符合要求。