基于ABAQUS的汽车座椅头枕轻量化分析与研究.pdf

第5 l卷第5 期 V 0 1 5 1N o 5 农业装备与车辆工程 A G R I C U u U R A LE Q U I P M E N T V E H I C I 正E N G I N E E R I N G 2 0 1 3 年5 月 M 盯2 0 1 3 d o i 1 0 3 9 6 9 巧j s s n 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 3 0 0 5 0 1 5 基于A 队Q U S 的汽车座椅头枕轻量化分析与研究 周波 1 1 0 1 7 9 辽宁省沈阳市沈阳金杯江森自控汽车内饰件有限公司 摘要 A B A Q u s 凭借其强大的非线性功能广泛应用于包括汽车 航天 土木 石油化工等各领域 根据 G 耻1 5 0 8 3 法规 应用H y p e r M e s h 软件对某型号汽车座椅采用不同结构头枕分别进行有限元建模 后处理分析 求解 并分别对不同结构头枕座椅进行试验测试 对不同结构头枕分析及试验结果对比 得出的仿真结果与试 验结果基本符合 可达到降低座椅重量 优化成本的目的 关键词 头枕强度 有限元 座椅 轻量化 A B A Q U S 中图分类号 u 4 6 3 8 3 嗡 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 3 0 5 0 0 5 8 0 4 1 L ig h t 骶i曲tA n a ly S isa I l dS 叫yo fV e K c leS 昀tH e a dR 嫩r a in tB a s e d 佣A B A Q U s Z h o uB o S h e n y 粕gJ in b e iJ o h n s o nC o n 痂lsA u t o m o t iv eI n t e r io r 8Co S h e n y a n gC ily u a o n in gP m v in c e1 1 0 1 7 9 C h in a A b s 缸a c t A B A Q U sis 祈d e lyu s e dint llea r e a so fa u t o m o b ile s p a c e 珏ig llt b u ild in g 明dp e 帅le u mf o rit ss t D o n gn o n lin e 盯 f u n c t io n 1 1 1 e 岛沁e le m e n tm o d e lin gf o rt h eh e a dr e s t r a in tw h ic hh 船d i r e mc o 曲g t lr a t io nh 鼬b e e nc a 耐e do u t 访t llt lleh e lp o ft lles 0 晰a r eH y p e r M e s hb 船e do nt I er e g llla t i嘶o fG B 1 5 0 8 3 r 1 1 le p o s tp I o c e s s 吨明a ly s is a c c o u n ta n dm ep h y 8 ic s e x a m in a t io nw e r eim p le m e n t e dt ot h ed ia e r e n te 0 T d ig u r a t io nh e a dr e s 仃a in t T h es im u la t io nr e s u lt sa mc o n s is t e n tw it ht I e e q e r im e n t 陀s t llt s w h ic hc a n 叩t iI lliz et I lec o s ta n dr e d u c et llew e ig h to ft h es e a t K e yw o lld 胡in t e n s i哆o fh e a dr e s t I 面n t f in it ee le m e n t s e a t l培h t w e ig h t A B A Q u s O 引言 汽车座椅是我国汽车产业政策优先发展的关 键零部件之一 在其设计 研发过程中 如何保证 安全性的前提下 节约能源 且有利于环境保护 以事先在满足其功能要求下的轻量化 是国内外 汽车座椅等零部件研究的重要课题之一 伴随 着科学技术的迅猛发展和工业技术水平的不断提 高 中国汽车行业的竞争也随之越来越激烈 为了 使产品有足够的市场竞争力以便能在这个硝烟弥 漫的市场中生存下来 提高产品的各方面性能和 降低制造成本成为至关重要的因素 在科技与信 息高度发达的今天 c A E 技术凭借着其能够缩短 产品研制周期 降低成本 提高产品质量 提升产 品市场占有率等诸多优点而被广泛应用在汽车 航天 桥梁建筑等许多大型工业行业中 它能满足 多种用户的需求 在产品开发概念阶段及设计初 期 有限元分析的尽早介入可以尽早发现并避免 设计缺陷 避免了后期的设计更改所带来的巨大 的人力物力的再投入 从而节省大量的时间及开 收稿日期 2 0 1 3 埘 o l修回日期 2 0 1 3 一0 2 一0 7 发成本 本文应用A B A Q u S 技术 对汽车座椅头 枕进行轻量化分析 并与试验结果相对比 以确保 分析的可靠性 1 汽车座椅头枕国标要求 汽车座椅具有支撑乘员重量缓和及衰减由道 路通过车身传来的冲击和振动 为驾驶员提供良 好的工作条件的作用 还应能为所有乘员创造舒 适和安全的乘坐条件 一个良好的汽车座椅设计 除了结构紧凑 设计美观大方 还应该满足良好的 静态特性 动态特性 及足够的的结构强度 刚度 和寿命 最重要的是 在发生交通事故中尽量减少 乘员的受伤程度 满足安全性能要求 2 根据 G B l5 0 8 3 2 0 0 6 的规定 头枕性能试验主要包括3 个步骤 见图1 1 用假人靠背作用于座椅产生 3 7 3N m 力矩以确定基准线 2 在头枕顶部向下 6 5m m 处 通过直径为1 6 5m m 的头型 施加一个 垂直于移动后基准线并且相对于R 点3 7 3N m 的力矩 头型最大位移量小于1 0 2n u n 3 在第2 步基础上继续施加载荷到8 9 0N 座椅靠背不得 断裂和破坏 第5 l卷第5 期周波 基于A B A Q u s 的汽车座椅头枕轻量化分析与研究 移位前躯 移位躯干 移位躯干基准线与加载的头型间距离 a b 图1 载荷作用点 作用方向以夏头型移动量 F 幻 1T h ep c I s i墩m 鲫d 豳删a t io no f I o a d a n d d is p h 捌怕n to f h e 削 2A B A Q U S 在汽车座椅有限元分析中的 应用 A B A Q U S 作为工程模拟有限元软件 其解决 问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的 非线性问题 引 本文以某型号汽车座椅为例 分别 对头枕骨架结构l和头枕骨架结构2 见图2 进 行头枕强度模拟仿真分析及试验 对比两种结构 头枕数据及试验结果 证明仿真模拟在轻量化研 究的准确性和可行性 胁钾 a i占构1 h 结构 图2 头枕骨架结构 F ig 2T h es t r u c t u 怕o fh e a d 悖S t 随im 2 1H y p e r M h 前处理 具体步骤是将C A r llA 模型导人H y p e r M e s h 软件中建立数模 对几何体进行必要的清理的基 础上 按几何体的形状 以壳体和实体单元形式把 数模表述出来 一般结构分析也可采用四面体网 格来满足要求 对每一个零件赋予与物理实验匹 配的材料和厚度 材料参数如表l所示 定义边界条件和载荷设置 约束位置设在座 椅零部件与车身的连接点处 座椅零部件采用刚 性连接 按照受力运动趋势约束自由度 按 G B l5 0 8 3 2 0 0 6 规定确定加载位置和载荷大小方 向 要求有限元模型与物理试验要保持一致 如图 3 H y p e r M e s h 支持多种求解器输入输出格式 H y p e r M e s h 划分好有限元网格并且调整好数模后 直 接把计算模型转化成适用于求解器格式的文件卜 s 1 应用A B A Q u S 求解器进行求解 得出计算结果 之后用H y p e m V ie w 进行后处理分析 表1 零件材料参数 T a b 1T h em a t e n a lp a 限m e t e 晤0 fp a r t s 图3 有限元模型 F ig 3F in e le m e n tm o d e I 3 A B A Q U S 求解器求解及H y p e r M e s h 后处理结果分析 A B A Q u S 作为分析复杂的固体力学结构力学 系统和模拟高度非线性问题的有限元软件 其主 要求解器模块A B A Q U s s t a n d a r d 和A B A Q u s E x p lie it 将H y p e r M e s h 中导出的以 I N P 结尾的运 算文件放在运算文件夹中 然后打开A B A Q U S 求 解器前台求解界面 输人命令 A B A Q u sJ O B 文 件名 即可进入计算环节 按实际工况进行加载 后 第1 步在距R 点3 0 0m m 处施加3 7 3N m 力 矩 分别得到基准线后移数据 如图4 所示 夕 图4 第1 步加载结果 F ig 4T h er e s u ltO ff ir s ts t e p 6 0 农业装备与车辆工程2 0 1 3 年 第2 步在头球处施加3 7 3N m 力矩 分别得 到头球最大后移量 如图5 所示 第3 步继续在头 球位置施加载荷到8 9 0N 确认座椅是否出现损 坏 数据见表2 夕 圈5 第2 步加藏结果 F ig 5 n 怕悖s u 托o f c o I n ds 却 表2C A E 分析结果对比 T a b 2c A E 俜由n m p a r i 们 状态基准线后移角度 头球位移蠢 m m 施加8 9 0N 时状态 用H y p e r v ie w 对计算结果进行分析 如图6 7 所示 在第2 步加载过程中 头枕骨架1 处最 大应力为3 3 5 4 4M P a 头枕骨架2 处最大应力为 3 0 5 8 7M P a 均小于Q 2 3 5 钢的极限应力4 1 0M P a 并且没有发生破坏 达到标准要求 圈 F ig 6 1 1 1 e 圈7 头枕骨架结构2 最大应力情况 F b 7T h e 叼a x im u ms t 限鹞m o m e mo f 缋r u c t u r e2 4头枕强度分析物理实验 在有限元分析的基础上 对该座椅进行物理 实验 如图8 按G B l5 0 8 3 2 0 0 6 标准对座椅施加 载荷 测得头球位移量结果与C A E 分析结果进行 对比 如表3 结果显示 C A E 分析结果与实验测 得数据相差不大 结果基本准确 与实际相符 圈8 头枕强度分析试验 F j g 8T h eh e a d 治s t 甩j n ts t r e n g t ht e s t 表3C A E 分析与物理实验结果对比 T a b 3O 口m D a 阳t h eF E A 停s u h 谢t h 塘s t 5 结构对比分析 头枕骨架结构l采用整体式钢管结构 头枕 骨架结构2 采用 钢管 钢丝 结构 通过有限元分 析及物理试验验证 两种结构的头枕均可以满足 G B l5 0 8 3 2 0 0 6 的要求 由于头枕骨架结构2 采用 钢丝替代部分钢管 减小骨架质量 如表4 所示 的同时降低了成本 表4 两种头枕骨架结构质量对比 T a b 4T h em a s s m m s tb e t w e e nt h et w Os t n J c t u r e s 状态 骨架质量 g 结构l 结构2 降低比率 4 8 0 4 2 0 1 2 5 6结论 1 应用H y p e r M e s h A B A Q U S 软件对某汽车座 椅两种头枕强度试验进行C A E 分析模拟 得出两 种头枕骨架结构均可以满足国标G B l5 0 8 3 2 0 0 6 的要求 2 头枕骨架结构2 通过改变产品结构可以满 下转第7 0 页 n 警阿 农业装备与车辆工程 2 0 1 3 年 难 为保证一号机与二号机快速顺利挂接 采取如 图5 挂接结构 1 小车举升机构升至最高点 托 架举升缸全缩时 一号机的鱼口与二号机的滚筒 轴等高 2 将鱼口设计成锥形口 3 增大一号机 后导向柱直径 通过优化结构 样车试验中取得了 很好的效果 2 1 圈5 燕爱结构 F 叼 5A n i叫眦e ds t n J c t u 悖 3 5 输送带跑偏现象 最初设计的输送带为带导向条的输送带 涨 紧滚筒和转向滚筒都为直滚筒 样车试验中发现 输送带跑偏现象 后将输送带改为平输送带 涨紧 滚筒和转向滚筒都改为鼓形滚筒 解决了输送带 跑偏问题 3 6 液压系统的改进 最初设计时 采用单泵输送马达串接 由于液 压管路长 压力损失大 泵排出的高压油大部分通 过溢流阀溢流 致使马达转速慢输送速度上不去 后改为三联泵 每个泵均为一个输送马达供油 使 马达转速相同 转速提高 达到技术指标 在环境温度一5 5 0 低温贮存时 拉索支承缸 油管出现长度约lc m 裂缝 液压油有少许渗漏现 象 通过整修解决了油管漏油问题 3 7 辅助支撑轮轻 化设计 最初设计的辅助支撑轮总成是用两根圆钢管 通过支架与4 个辅助支撑轮相连接 辅助支撑轮 设计为直径3 0 0n 姗 宽度1 2 5 咖的铸铁轮 使 用起来比较笨重 并且易损飞机机舱接触面 通过 轻量化设计 将用一根异型钢管通过支架与4 个 辅助支撑轮相连接 辅助支撑轮设计为直径4 0 0 m m 宽度8 0m m 的充气轮胎 这样 输送机伸出 的三号机前端压在辅助支撑轮总成时 减少了辅 助支撑轮与飞机机舱接触面的磨损 3 4结论 通过机场车载皮带输送车的改进设计 在满 足基本性能的前提下 优化了产品结构 展开 撤 收和输送物资速度快 操作简单可靠 体现了机场 车载皮带输送车的技术新亮点 改装后样车最高 时速高于8 0k 叫 ll 并经过了1 0O o ok m 可靠性路 试 其中平坦公路40 0 0k m 山区公路30 0 0k m 强化路段30 0 0k m 改制部分无异常现象 满足 了设计要求 参考文献 1 周隽勇 李玉宝 刘祥涛 机场车载皮带输送车用底盘转向传 动机构的改制 J 专用汽车 2 0 0 r 7 2 3 3 3 4 2 刘惟信 汽车设计 M 北京 清华大学