客车座椅设计及CAE分析毕业论文.doc

客车座椅设计及CAE分析毕业论文目 录第一章 绪论11.1座椅设计的意义及重要性11.2.客车座椅设计的相关法规要求21.3.目前国内外客车座椅设计的现状及发展51.4.汽车行业CAE分析现状及发展趋势71.5.HyperWorks系列软件简介8第二章 客车座椅设计112.1.客车座椅的结构112.2.座椅的特性132.3.座椅几何建模19第三章 座椅的试验与评价333.1.各类座椅试验简介333.2 CAE分析试验方案34第四章 座椅骨架的静强度CAE分析384.1.建立座椅骨架的CAD模型394.2.将CAD模型导入到HyperMesh404.3.抽取中面404.4.拓扑修复414.5.网格划分424.6.网格质量的检查454.7.质量指标(QI)对单元质量的评价与优化484.8.定义单元类型、材料、属性等504.9.设定边界条件524.10.定义控制卡Control Card574.11.求解计算并查看结果574.12.总结61第五章 结论64参考文献65致谢67参考文献第一章 绪论近年来随着社会的快速进步，经济的迅猛发展，全国居民生活水平的大幅度提高，旅游业的迅速发展，高速公路的大力兴建，各旅游公司、出租汽车公司及宾馆饭店、长途客运站等部门迫切需要豪华、舒适、性能良好和安全可靠的客车。现代人们对客车座椅的要求，不只是满足于外形美观华丽，更重视人的因素，例如：舒适的乘坐姿势、合理的体压分布、可靠的安全性等。座椅作为客车的重要组成部分，直接关系到客车的乘坐舒适性、安全性和方便性，并在感情上影响人们对客车的评价。本文以某长途客车乘客座椅为例，对其设计中若干问题进行了研究，例如相关国家标准、行业标准、各项法规、人机工程学、生理学等等。座椅的静态强度CAE分析试验方案根据GB13057客车座椅及其车辆固定件的强度中对座椅骨架静态强度试验方案的规定和要求进行，对座椅在投入生产之前进行座椅骨架静态强度验证，如不满足国标要求则进行相应的改进设计，必要的时候可用试制件进行真实试验，一方面验证CAE分析结果，另一方面使设计人员更直观的发现问题，改进设计，直至满足要求。1.1座椅设计的意义及重要性汽车座椅用于：支撑乘员的质量；缓和与衰减由车身传来的冲击和振动；给驾驶员提供良好的工作条件；并为乘客创造舒适和安全的乘坐条件。由此可见，座椅设计的好坏，将对汽车的平顺性、乘坐舒适性、安全性等产生很大的影响。因此，掌握汽车座椅的特性和设计方法，是车身设计中的重要环节之一。一般，汽车座椅设计应满足如下要求1：1）.应有良好的静态特性，即：座椅的尺寸和形状应使人体具有合适的坐姿，良好的体压分布，触感良好，并能调节尺寸和位置，以保证乘坐稳定，舒适，操作方便，视野良好。2）.具有良好的动态特性，以缓和与衰减由车身传来的冲击和振动，保证驾驶员能较长时间工作而不感到疲劳；乘客能感到乘坐舒适愉快。3）.有足够的结构强度、刚度和寿命，并能在发生交通事故时尽量减少乘员的受伤程度，亦即具有足够的安全性。4）.结构紧凑，外形与色彩应美观、大方，与车身内饰相协调，并能尽可能减轻质量，降低成本，有良好的结构工艺性。而对于长途客车乘员座椅而言，其在客车的乘坐舒适性方面起着举足轻重的作用。要防止乘员在长途旅行过程中产生强烈的疲劳感，如遇突发情况也要对乘客起到一定的保护作用，同时其设计也是长途客车内饰设计的重要组成部分。1.2.客车座椅设计的相关法规要求随着社会的进步和生活质量的提高，人们对生命的关注程度也越来越高。当今的汽车设计越来越重视汽车的安全技术，“安全、环保、节能”是汽车发展研究的主要方向。在汽车被动安全体系中，座椅与乘员的生命有着最直接的关系，特别是客车和客车座椅更不容忽视。座椅不再是简单的美观和乘坐的需要，而是集人机工程学、舒适性、安全性为一体的系统工程产品，是对乘员起保护作用的被动安全性的研究领域的具体体现，在客车整车安全技术中，占有重要地位。欧洲的汽车安全性发展较早，有严格的汽车安全法规，针对座椅的安全标准条款，各个国家都有相关法规标准。联合国欧洲经济委员会(ECE)、美国、日本、澳大利亚等发达国家针对座椅系统的安全性已经制定了一系列技术法规和标准，如ECE机动车法规中的R17关于座椅及固定装置强度的统一规定、R25关于汽车头枕的统一规定、R80大型客车座椅认证及座椅强度和固定件强度有关的车辆认证的统一规定，美国联邦机动车安全标准FMVSS202头枕、FMVSS207座椅系统、FMVSS208乘员碰撞保护，日本道路运输车辆安全标准(JMVSS)等，以规范客车座椅的设计、制造、使用和质量检测-提高座椅系统的被动安全性2。我国也十分重视座椅系统安全标准的制定工作，90年代以来，GB15083-1994汽车座椅系统强度要求和试验方法、GB11550-1995汽车座椅头枕性能要求和试验方法、GB11563-1995汽车H点确定程序相继发布和实施。1998年10月，原机械工业部正式将汽车座椅和头枕列为汽车新产品实施40项强制性检验的项目之一，并依据GB15083对M2和M3类客车的座椅进行安全性能检测；1999年10月，原国家机械工业总局发布CMVDR217关于座椅、座椅固定装置和头枕的设计规则，以规范客车产品的设计、生产和质量控制；2001年4月，国家经贸委产业（2001）098号文关于受理车辆新产品申报工作的通知中，重申了对客车新产品的座椅进行强制性检测的要求。这些标准和技术政策的发布与实施，对促进客车座椅安全性能和制造质量的提高发挥了积极作用。在交通事故中，最严重、对人体生命危害最大的是撞车事故。汽车与其它物体发生撞击，为第一次碰撞；碰撞瞬间车身变形吸能、减速，由于迅速减速原因，产生巨大的惯性力，乘员以一定的速度和车内物体发生撞击，为二次碰撞。乘员正是在此过程中受到巨大伤害。乘员与车内物体的碰撞行为与伤害程度是被动的，在极短的时间里，不能够靠主观意识控制事故发生。研究二次碰撞中乘员的安全保护措施，提高减少伤害的有效装置技术，为被动安全的领域范畴。在撞击中，人体有一个生理忍受极限，它是以加速度、位移、承受力等指标来衡量的。联合国欧洲经济委员会法规ECE R80中规定了：M3类车中座椅的动态性实验要求，其中人体的生理忍耐伤害极限分别满足：头部极限值为HIC500，胸部负荷标准值为THAC30g，膝部负荷标准为FAC10kN。客车座椅系统是旅途中乘客的乘坐工具和居住场所，不但应能承受人体重量，同时还应能经受车辆起步、加速、制动等重复动作和碰撞事故的冲击，是客车上重要的被动安全系统之一。每年的客车乘员伤亡事故中，有相当大的比例是由乘员与座椅的二次碰撞或车辆固定件失效引起的。在发生二次碰撞过程中，乘客身体前移，以膝部先接触前排座椅后背部，继而胸部和头部撞击前排座椅的后部。为最大限度避免乘客受到伤害，作为安全设施的乘客座椅，首先需要具有足够的强度和一定的柔性，即能够有一定的变形来缓冲撞击能量；与车身连接的固定装置要有足够的固定强度，不至于使座椅脱离车身；座椅靠背要有一定的缓冲吸能性；座椅外部不能有尖锐突出物，座椅背部附件设施应设置合理等。如果在上述碰撞中，后排座椅加装安全带，可以有效地束缚乘员的身体，减少前向位移，控制撞击伤害程度。所以，安全带是公认最廉价而又最有效的乘员保护装置。美国、德国等早己用法令形式，强制执行客车所有座椅上加装安全带，以提高安全性。GB13057客车座椅及其车辆固定件的强度规范性引用标准如表1-1所示，其基本内容如图1-1所示。表1-1国标GB13057规范性引用标准序号法规代号法规名称1GB11552-1999轿车内部凸出物2GB/T11563汽车H点确定程序（eqv ISO 6549：1980）3GB14166-1993汽车安全带性能要求和试验方法4GB14167-1993汽车安全带安装固定点5GB/T15089机动车辆及挂车分类6QC 244汽车安全带动态性能要求和试验方法7CMVDR217关于座椅、座椅固定装置和头枕的设计规则8IS06487碰撞试验测量技术：检测仪器图1-1 GB13057客车座椅及其车辆固定件的强度的基本内容1.3.目前国内外客车座椅设计的现状及发展1).安全法规方面国内仍然相对落后目前实施的GB13057客车座椅及其车辆固定件的强度，也是参照联合国欧洲经济委员会法规ECE R80大型客车座椅认证及座椅强度和固定件强度有关的车辆认证的统一规定而制定的。而这样照搬国外法规是否符合中国的具体国情却是有待商榷的。比如说，中国的公路质量大中城市较好，而中小城市却是普遍偏差的；中国的人体身高、体重等各项参数和欧洲是不是一致或者是非常接近等等，均应是法规制定之时需要注意的因素3-4。当然，中国汽车的发展相对国外却是起步较晚，目前仍有很多不尽人意的地方，但是在这个行业中，有没有一种认真深入谨慎的态度是很重要的，因为造出的产品是要给人们日常使用的，不出问题则已，一旦出现问题，很有可能都是危及生命财产安全的大问题。客车座椅和车辆固定件存在着较多的安全隐患。目前，国内绝大多数客车座椅生产厂缺乏座椅强度检测手段，以至于对自己生产的座椅质量出厂前心中无数，无法进行座椅设计质量的改进和提高。将座椅的强度试验交给用户，这是非常危险的一种做法，由此产生的交通事故后果制造厂技术责任重大。座椅固定件是客车设计的一个重要而容易忽视的环节。为了简化设计、方便制造、易于安装和座椅间距的调整，对于座椅脚与侧围（或地板）的连接，许多客车制造厂选用铝合金型材（螺栓头可在滑槽内移动），用若干只螺栓（或螺钉）将其固定在侧围骨架（或地板梁）上的结构。当车辆发生交通事故时，由于在一根铝合金型材上安装有座椅，而型材与车身侧围骨架（或地板梁）的连接仅仅依靠少数螺栓（或螺钉）固定，座椅固定件及其车身连接骨架则成为客车强度设计中的一个薄弱环节。2）.新材料、新工艺的应用更为广泛在材料选用上，引进座椅以环保、节能、轻量化为主。座椅肘靠采用高强度复合材料、新型吹塑工艺，具有高强度、高韧性等优点。座椅关键部位采用粉末冶金件，以提高耐磨性和尺寸精度，并降低成本和节约能源。在对乘员安全性保护措施上，座椅应用的技术越来越多。例如：在座椅后靠的重要部位，安装一块蜂窝状的吸能材料装置。当碰撞发生时，产生一定量的变形，以缓冲和吸收来自后排座椅的乘客身体的撞击能量，使伤害性降低到最小。为保证座椅有一定的柔性，在骨架结构上采用尺寸控制的方法，使其有一定的变形量且在允许范围内，既有变形又不失强度。采用带有速度感应功能的锁止式卷收安全带，能在发生碰撞的瞬间，感应出速度的变化，迅速张紧安全带，将乘客紧紧束缚在座位上，真正起到保护乘员的作用。3）.人机+美学=现代座椅设计在结构和造型设计上，充分以人机工程学原理为基础，不仅满足安全、舒适、方便性要求，还融入了一定的美学概念，使产品在造型上具有曲线流畅、大气的风格。在功能上，座椅靠背角度能在0。-20。之间任意调节；双人外侧椅具有外移作用，可增加座位的宽松度，更好地满足乘坐的舒适性要求。座椅面料采用全羊毛织物或双剑杆机织面料，具有良好的耐磨性和透气性；座椅弹性元件采用冷塑化高回弹聚氨酯泡沫海绵塑料；肘靠可以下压至与座垫水平面齐平，方便乘客出入。肘靠的活动锁止机构具有灵活的操作性和可靠性。座椅附件配备齐全，如椅背拉手、小餐桌、杂物袋、脚踏板等，尽可能满足用户的需要。在产品设计理念中，突出了通用性强、互换性高的特点，便于系列化产品的实现。1.4.汽车行业CAE分析现状及发展趋势随着国际间合作的加深，市场全球化趋势也来越明显，近年来CAE技术在国内也逐步得到重视。汽车业界已普遍意识到CAE技术对提升产品竞争力的重要性，多家主机厂和一些设计公司纷纷建立了自己独立的CAE部门，并通过聘请国外高水平的CAE专家和提供各种培训、交流和沟通的机会来提高自身的CAE分析水平。同时，将CAE技术融入整个设计流程的工作也在同步进行，其应用正从开始的人门尝试阶段进入到解决实际问题的阶段，并随着CAE技术的提高和应用范围的不断扩大，这方面的成功案例正在逐年增加。CAE分析在指导设计、提高质量、降低开发成本和缩短开发周期上发挥着日益显著的作用。其应用于车身开发上成熟的方面主要有：刚度、强度（应用于整车、大小总成与零部件分析，以实现轻量化设计）、NVH分析、机构运动分析等；而车辆碰撞模拟分析、金属板件冲压成型模拟分析、疲劳分析和空气动力学分析的精度有进一步提高，已投入实际使用，完全可以用于定性分析和改进设计，大大减少了这些费用高、周期长的试验次数；虚拟试验场整车分析正在着手研究，此外还有焊装模拟分析、喷涂模拟分析等。由于CAE技术在汽车产品设计中发挥了越来越重要的作用，相当多的汽车企业都在产品设计流程中明确规定了CAE环节，没有CAE分析的设计不能流入下一个技术环节。1.5.HyperWorks系列软件简介HyperWorks是一个创新、开放的企业级CAE平台，它集成设计与分析所需各种工具，具有无比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。HyperWorks包括以下模块5-6：HyperMesh、HyperForm、OptiStruct等。HyperMesh是一个高性能有限单元前后处理器，让工程师在高度交互及可视化的环境下验证各种设计条件。HyperMesh的图形用户界面易于学习，并且支持直接输入CAD几何模型和已有的有限元模型，减少重复性的工作。先进的后处理工具保证形象地表现复杂的仿真结果。HyperMesh具有无可比拟的速度，适应性和可定制性，并且模型规模没有限制。HyperMesh的主要特点如下：通过高性能的有限元建模和后处理大大缩短工程分析的周期；直观的图形用户界面和先进的特性减少学习的时间并提高效率；直接输入CAD几何模型及有限元模型，减少用于建模的重复工作和费用；高速度、高质量的自动网格划分极大地简化复杂几何的有限元建模过程；在一个集成的系统内支持范围广泛的求解器，确保在任何特定的情形下都能使用适用的求解器；极高的性价比使您的软件投资得到最好的回报；高度可定制性更进一步提高效率；定制HyperMesh使其适合您的环境，提高您的效率；宏：用户可以创建宏以自动运行一系列操作；快捷键：大幅度提高您的工作效率。以HyperMesh V8.0SR1版本为例，其主主界面如图1-2所示。各菜单功能及使用方法可参照帮助文件。图1-2 HyperMesh的主界面OptiStructOptiStruct是用于概念设计和改进设计、基于有限元的结构分析及优化软件。OptiStruct应用拓扑、外形和形状优化技术，具有强大的功能，帮您设计优化出基于各种约束条件下的具有最小重量和最大性能的结构。OptiStruct内部包含一个快速、准确的有限元求解器，它帮助工程师使用标准的单元库和类型广泛的边界条件来优化线性静力和固有频率问题。OptiStruct包含在Altair HyperMesh完善的图形用户界面内，可以让用户轻松、快速地进行复杂问题的模型建立、提交求解及后处理。 OptiStruct特点：1）.在概念设计阶段应用优化。2）.为减少结构质量及其相关费用提供强有力工具。3）.减少进入市场前的设计周期。4).补足现有的专业知识和设计流程。5).拓扑优化6).外形优化7）.形状优化8）.有限元分析第二章 客车座椅设计随着人机工程学的发展，以及以人为本思想的深入影响，现代客车座椅设计更加注重人机工程学方面的设计，使得现代客车座椅为人们的出行增添更多的人文关怀。本章主要介绍客车座椅主要部件结构及设计原则、目前的新工艺新材料，及客车座椅几何建模。2.1.客车座椅的结构客车座椅一般由骨架、座垫、靠背和调节装置等组成7-15。2.1.1.骨架骨架固定在车身地板上，用以支撑整个座椅和人体质量。骨架可分为座垫骨架和靠背骨架两部分。将两者做成一个整体的，或用螺栓或靠背倾斜角调节装置等连在一起的，均称为整体式骨架。骨架应有足够的强度和刚度，才能承载和保证安全。它可用钢管弯曲而成，也可用冲压结构做成戽形。材料可用钢管、铝板、树脂板、木材等。设计要求是：当座垫上垂直载荷为800N是，允许挠度10mm；当载荷增至1200N时，允许永久变形5mm。当垂直靠背蒙皮作用载荷为1500N时，允许挠度50mm；当载荷增至2000N时，允许永久变形Displayed，在栏中键入0.01，点击Find，标题栏显示如下信息：。点击右边的Delete，删除所有重复曲面，如图4-3所示。图4-3 删除重复曲面操作（白色区域高亮显示的为重复曲面）4.5.网格划分所有前面的工作都顺利完成了之后，就进入到有限元分析的重要一步网格划分了。将实际结构划分为有限个单元的过程叫做结构离散。有限元法分析的思想就是利用一个离散结构的近似力学模型来代替原有的复杂结构，离散后的结构仅在节点连续，通过节点施加载荷和约束，并且依靠节点进行力的传递。各种类型的有限元法，第一步都要对分析的对象进行离散，因此离散的过程是有限元分析前处理中的一个重要步骤网格划分。由于有限元计算模型的合理性在很大程度上由网格形式所决定，因此，网格的划分是有限元分析计算的基础，也是其中心工作之一，而且工作量大、耗时多。HyperWorks中的HyperMesh模块在网格划分方面具有极为强大的功能，提供了大量网格划分工具。网格划分可以说是CAE分析的基础。高质量大小合适的网格不仅可以保证计算的精度，而且可以节约计算的耗费，节省大量的时间和精力。划分网格要明确的几个问题：1).用什么类型的单元来划分网格。这取决于要做什么分析和模型的结构特点，对同样的分析，采用的求解器不同也会影响这个选择。主要包括以下问题：.单元的维数。一维的线单元、二维的面单元、三维的体单元，如果是一维单元，还要根据功能不同选择bar、rigid等单元类型。.单元的形状。三角形还是四边形、四面体、五面体还是六面体.单元的阶数。4节点的四边形还是8（9）节点的四边形，8节点的六面体还是20节点的。2).网格的大小。这取决于模型的规模、计算机的能力（CPU、内存、硬盘、是否并行算法），还有对计算精度的要求。同时，需要注意的是网格的大小调整经常可以有效地提高计算精度同时降低计算耗费。3).划分的方法。对曲面网格HyperMesh有很多独有的划分方法，而且在划分网格时就能人工干预划分的质量，还有非常优秀的检查工具。4).划分网格的一些原则：.计算精度和计算耗费的平衡原则。并不是节点越多越好，高密度的网格能带来计算精度的提高，但是采用适当的单元类型才是最重要的，毕竟节点数量的增加带来的是计算量以平方增长。.自动划分和人工干预的结合原则。并不是自动化程度越高越好。因为计算机不会知道哪个圆孔是需要特别关注因而需要细化网格的，它也不会知道哪个特征是可以忽略掉的。而通过人工指定就不一样了。.不要认为一个模型划分完网格能计算通过就万事大吉了，问题肯定是存在的。CAE的目的是分析，结果是否合理非常重要。计算结果的合理性取决于边界条件，还有网格的质量和合理性。 针对客车座椅骨架模型来说，其各个板件的厚度都不是太大，因此可以选择壳单元来进行划分。单元的形状选择三角形和4节点的四边形。考虑到座椅模型不是太大，也为了计算精度考虑，单元大小选择2.5。由于模型大部分为平面，较少复杂曲面，因此选择自动划分网格的方法。具体步骤如下：1).在2D页面上点击Automesh，进入Automesh面板。2).选择Size and Bias子面板。3).选择SurfsDisplayed，如图4-4所示。4).指定Element Size为2.5。5).设置Mesh Type：为Mixed。6).在面板菜单的左下方选择Interactive作为激活的划分模式。检查标题栏并确认当前的部件集为Middle Surface。7).确认Element to Surf Comp/Element to Current Comp被设置为：Element to Current Comp。8).点击Mesh进入网格划分模块。注意此时处于网格划分模块的Density子面板中，节点的位置和数目标示在曲面的边界上，边上的数值表示这条边上生成的单元数目。9).点击Return，接受所划分的网格。网格划分结果如图4-5所示。图4-4 网格划分中的Density子面板图4-5 网格划分结果（局部图）4.6.网格质量的检查网格质量是指网格形状和尺寸的合理性。当各类网格具有理想的形状时，计算结果最好。而实际划分网格不可能都达到理想状态，可能会变形。变形超出某一限度时，计算精度会随变形的增加而显著下降，因此在划分网格时应将网格变形控制在一定范围之内，也就是说网格应该满足一定的质量要求。网格质量检查包括：单元连续性检查、单元的法线方向检查、重复单元检查以及单元各项质量检查等内容。HyperMesh中单元连续性检查包括2D单元中不连续自由边的查找和处理。在单元各项质量检查中，HyperMesh提供了按照用户给定值检查网格质量的工具Check Elems，该功能可以检查单元的质量和这些单元的几何质量，包括一维单元的自由端，二维单元的最大最小内角及Jacobian值。在HyperMesh的Quality Index面板中，可以通过质量指标（QI）值对网格质量进行全面的质量评价。该功能可以自动地改进网格质量，免去修正大量网格的繁琐手工操作。2D单元形状质量检查的内容包括：1).Aspect（纵横比）。检查单元最长边与最短边之比，通常应小于5：1。2).Warpage（翘曲度）。检查四边形单元的翘曲，即单元偏离平面的量。由于三点成一面，当四边形另外一点与其他三点不在同一平面上时，形成翘曲。翘曲度定义为：依次沿对角线将四边形分成两个三角形，这两个三角形所在面构成夹角的最大值即为翘曲角。3).Chord Dey（弦差）。对于附着于表面上的单元，弦差为单元各边中点与该点在对应面上的投影点的距离值。如果单元不在面上，HyperMesh推导最有可能生成已有网格的表面形状，然后用这个表面进行投影。4).Length。检查单元长度。5).Maximum Angle、Min Angle。用于检查单元的最小、最大内角。6). Jacobian（雅可比）。壳单元内，积分点处最小Jacobian与最大Jacobi