【《座椅骨架静态特性仿真的有限元模型分析案例》5600字】

座椅骨架静态特性仿真的有限元模型分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u18544座椅骨架静态特性仿真的有限元模型分析案例 167411.1有限元理论简介 15831.1.1有限元法 199891.1.2有限元法在座椅骨架上的应用 27011.2座椅有限元模型建立的一般过程 2140321.3座椅有限元模型的建立 358911.3.1座椅几何模型的简化 3305171.3.31座椅几何模型的离散化 4164331.3.2连接关系的简化 894011.3.3边界条件的确定 9建立座椅骨架的有限元模型是座椅静强度特性仿真分析的基础工作。座椅骨架的有限元模型的建立应根据所研究问题的具体情况和要求，选择合适的单元并以实际产品使用的材料定义其材料和属性，将座椅骨架结构离散化，依据实际安装的方式构建约束条件，简化连接关系，划分和优化网格，最后确定一个精度合理以进行仿真模拟的座椅骨架模型。1.1有限元理论简介1.1.1有限元法有限元法（FiniteElementMethod）是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。1960年，克拉夫（Clough）在他的一篇论文“平面分析的有限元法（TheFiniteElementMethodinPlaneStressAnalysis）”中最先引入了有限元（FiniteElement）这一术语。这一方法是结构分析专家把杆件结构力学中的位移法推广到求解连续体介质力学问题（当时是解决飞机结构应力分析）而提出来的。这一方法的提出，引起广泛的关注，吸引了众多力学，数学方面的专家学者对此进行研究。有限元法之所以能在1960年立刻获得成功，一是Clough从结构力学方法推导的刚度矩阵易于为广大工程师接受，而有限元法最初也被称为矩阵近似方法；二是在于这个方法所包含的大量数值运算，而这可以由新发展起来的数字计算机来完成。在20世纪70，80年代，许多学者研究和推导出了许多精确，更高效的单元，在单元形状，单元节点和插值函的类型等方面都得到了长足的发展。20世纪70年代，等参元的提出为研发出新的单元开辟了新的途径，推动了有限元的发展。经过近几十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，特别是在现代航天工程、机械工程、车辆工程中体现出其强大的功能，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。1.1.2有限元法在座椅骨架上的应用从受力特征上来看，汽车座椅一般而言属于杆结构，骨架既承受行驶所带来的弯曲应力，也负责平衡部分扭转应力。将有限元法应用于此类复杂工况的计算上，一定程度上能够减少工作量并提高结果的准确性。在早期，汽车座椅骨架大多是使用管件连接而成的，受当时的水平限制，那时的座椅模型多采用的是空间梁单元结构，模型本身也较为简单，节点及单元数量较少，仿真模拟的精度不高，结果也不够准确。随着设计及工艺技术水平的提升，原来的梁单元模型越发难以达到研究的要求和目标，研究人员因此对分析软件的进行了全方位的升级和开发，于是拥有壳单元、实体单元和一些其他强大功能的有限元分析软件(HyperMesh、ABAQUS、ANSYS等)应运而生，实现了座椅的精确分析与辅助设计。90年代以后，研究人员不再仅仅以最初采用的实物碰撞方法来研究汽车的安全性能，而是以仿真技术结合试验确定。采用有限元法辅助分析，在设计初期就能得到大部分座椅的相关特性，并且分析结果对比真实实验的一致性也越来越高。1.2座椅有限元模型建立的一般过程建立座椅有限元分析模型的一般过程包含以下几个步骤：根据真实产品几何数据建立座椅的几何模型；选择用于模拟座椅骨架各种结构和连接关系的有限元单元；将座椅结构离散化，进行有限元网格的划分；输入单元的材料和属性；根据所分析问题确定边界条件；调整优化网格，建立最终的仿真模型。在建立座椅有限元模型的过程中，要根据座椅模型的几何结构特点、仿真分析的目标和实际问题，综合考虑计算时间和精度建立模型。1.1.1有限元模型的建立原则根据计算精度、速度以及对硬件的要求的不同，座椅结构模型通常可分为两种:简化模型和详细模型。座椅简化模型通常为理想的桁架结构，然后被分解为细化的单元，得到的模型结构简单，结点和单元数量较少，与之相对计算速度快，但是精度较差，一般情况下仅用于座椅的刚度分析，如果在求解结构的静强度问题时采用简化模型，结果往往与真实实验有较大偏差。在详细模型中，座椅结构模型在计算座椅在一定载荷作用下的应力值时所得到的结果一般较为准确，但由于结点和单元数量较多，计算时间较简化模型大大增加，对计算机硬件的要求也相应较高。由于本课题所要求解的问题是座椅的静强度特性，我们决定建立其详细模型以进行计算分析。1.3座椅有限元模型的建立1.3.1座椅几何模型的简化进行座椅有限元仿真模拟分析的第一步就是建立座椅几何模型，可以使用专业CAD软件建模，如UG、CATIA等常用软件，也可以直接在CAE软件中的CAD模块中直接进行相关操作，如Abaqus。由于CAE软件中的CAD模块与专业的CAD软件相比，建模的功能和精度都存在一定的差距且操作复杂，因此在面对复杂问题的建模时，最好使用专业CAD软件建模。本次仿真分析的研究对象为一款驾驶座座椅，该座椅的初始几何模型由座椅供应商直接给出，因此仅需要在CATIA软件中导入该座椅几何模型并进行模型的修复和结构的剖析。汽车座椅通常是由上百个零件组装而成的，对其模拟分析的时候不必建立所有零部件的有限元模型，因此要求我们在几何模型阶段就要对座椅模型有深刻的理解和认识，根据零件对座椅强度影响程度的不同进行筛选，以达到合理简化的目的，减少计算时间，提高结果的准确性。通常对座椅几何模型进行简化可依据以下两个原则:1.零件对分析目标的贡献在汽车座椅静态特性仿真模拟分析中，骨架作为主要的受力部件承担绝大部分的外部载荷，软垫和蒙皮等几乎只起到提高舒适性作用的部件基本上不分配外部施加的较大静载荷，因此将对座椅强度贡献极小的座椅蒙皮和坐垫发泡均略去。1.计算时间和精度一般而言，越精细的有限元模型，计算所得的结果准确度就越高，但相应地，网格尺寸就越小，数量越多，计算时间因此也就越长。为了保证仿真分析的结果真实可靠，我们尽可能地保留了模型的力学结构特征，考虑到计算时间在后面进行网格划分时未采用较小的网格尺寸，为了保证结果正确，在此基础上进行了大量的网格优化工作。综上所述，将座椅几何模型简化并导入Hypermesh软件中，简化后几何模型如图2-1所示。2-1汽车座椅几何模型的简化1.3.31座椅几何模型的离散化HyperMesh软件简介HyperMesh软件是美国Altair公司的产品，是世界领先的、功能强大的CAE应用软件包，也是一个创新、开放的企业级CAE平台，它集成了设计与分析所需的各种工具。在CAE工程技术领域,，HyperMesh最著名的特点是它所具有的强大的有限元网格划分前处理功能。一般来说，CAE分析工程师80%的时间都花费在了有限元模型的建立，修改和网格划分上，而真正的分析求解时间是消耗在计算机工组站上，所以采用一个功能强大，使用方便灵活，并能够与众多CAD系统和有限元求解器进行方便的数据交换的有限元前后处理工具，对于提高有限元分析工作的质量和效率具有十分重要的意义。HyperMesh作为一个高性能的有限元前后处理器，它能让CAE分析工程师在高度交互及可视化的环境下进行仿真分析工作。HyperMesh主要用于有限元模型的前后处理，通常，我们只利用HyperMesh完成几何模型的处理，网格的划分、单元类型及属性指定、材料属性创建及赋予，相关集合的创建等，接触定义和荷载等通常在所选用的有限元分析软件中完成，为了方便后续工作，相关的集合可提前在HyperMesh中完成创建。座椅骨架几何清理简化的几何模型在导入HyperMesh之后并不能直接用于建立有限元模型，此时还需要对模型进行几何清理。清理时应做到以下几点:1.对导入几何模型的曲面数据后出现的曲面丢失、边界错位、结点重合和曲线重叠等缺陷进行修复，保证后面网格划分不受影响，进而保证有限元模型有良好的单元质量和求解精度。1.消除模型中不必要的细节特征。CAD模型中包含一些对整体工况影响很小但对网格划分工作非常不利的细微特征，比如倒角、小孔等，在进行仿真分析时如果完整地模拟这些特征，将需要利用很多小单元进行划分并使网格质量大大降低，求解时间不必要的加长，因此我们对坐盆框架正面及中承侧板上一些小于5mm的工艺孔进行了修补。处理的座椅模型如图2-2所示。2-2几何清理后的座椅模型网格划分网格的划分作为建立有限元模型的一个重要环节，划分质量的好坏直接决定了之后的计算时间和精度，因此对网格的划分与修改占整体工作量最大的一部分。网格应该满足以下要求：合法性：一个单元的结点不能落入其他单元的内部，在单元边界上的结点均应作为单元的结点。相容性：单元必须落在离散区域内部，且单元并集等于离散区域。逼近精确性：待分区域的顶点（包括特殊点）必须是单元的结点，待分区域的边界边（包括特殊边及面）被单元边界所逼近。良好的单元形状：单元最佳形状是正多边形或正多面体。良好的剖分过渡性：单元之间过渡应相对柔和，否则，将影响计算结果的准确性甚至使有限元计算无法进行下去。网格剖分的自适应性：在几何尖角处、应力温度等变化大处网格应密集，其他部位应较稀疏，这样可保证计算精确可靠[5]。具体步骤如下：选择单元类型划分网格之前要根据目标和实际情况进行分析以选择最合适的单元类型。对于本次仿真分析的座椅，虽有部分零件为为压铸成型，整体来看还是类似于钢板冲压结构，然后通过焊接和螺栓连接连接在一起承受大部分载荷。针对座椅的结构特点，参考汽车车身结构件有限元模拟分析和前人的经验，在座椅模拟分析时将座椅简化为壳单元（shellsection）和实体单元组合而成的有限元模型。所谓壳体，是指两个曲面间所包含的空间物体。壳体的厚度就是两曲面间垂直距离。厚度远小于壳体中面最小曲率半径的壳体，称为薄壳，厚度为常量的壳体称为等厚度壳体[5]。该座椅骨架中大部分结构件的厚度为1mm－3mm的冲压钢板，可看成壳体。壳体的变形分为弯曲变形和中面变形两种。因此，用有限单元方法分析壳体结构一般使用两种方法：一种是用板元组成的折板来代替单曲或双曲的壳体，由平面应力状态和板的弯曲状态两者组合得到薄板的应力状态；另一种方法是根据壳体理论建立曲面单元。相较之下，第一种方法由于计算格式简单且效果比较好，被工程界广泛使用。由于座椅骨架主要承受弯矩和平面内的力，采用壳单元模拟能够反映出结构的细节应力状况，所以在该座椅骨架有限元模型中，使用shell单元来模拟骨架结构中的薄板冲压件。模型中使用的壳单元主要是三结点的三角形单元和四结点的矩形单元。通常三角形单元和矩形单元的结点选在各单元的角点处，使各单元只在角点处相连接，且结点是刚结点，即在相邻单元之间通过结点不但可以传递力，还可以传递力矩。三角形单元能够较好地模拟任意边界形状的板，而对于结构外形比较规则的板，使用四边形单元更为合理。因此，建模时主要使用四边形单元，对于形状较复杂的部分采用三角形单元加以过渡。网格的质量决定了网格形状的合理性，模型的网格设置合理，最后才能够得到良好且更接近真实情况的计算结果。网格质量包括单元的大小尺寸、翘曲度、斜度、扭曲角、雅克比值等。网格的质量要求如下:表2-1网格质量要求划分单元综合考虑后期计算时间以及前人的经验，确定本次分析的座椅骨架网格大小为4-8mm，由于座椅骨架的大部分零件为冲压件，少部分为杆结构，因此抽取中面获得需要划分网格的shell单元。由于座椅结构较为复杂，很多结构件上都有一些安装孔和减重孔，为了加强零件的刚度，一些结构件上还有许多形状不规则的加强筋和翻边等，这些都使网格的质量不能完全达到完全合格。在HyperMesh软件中将各个零件自动生成网格之后，必须对网格进行大量的调整和优化工作。此时可用软件中的qualityindex子面板检查网格质量，通过start查找网格失效处并进行调整和优化。定义单元材料和属性将座椅骨架的单元划分完毕以后，还要进行单元的材料和属性定义。材料特性根据座椅骨架实际使用的材料设定，在Hypermesh中我们需要输入材料的厚度，密度，泊松比和弹性模量等。本文的研究对象为汽车座椅骨架，主要材料为钢铁，类型为一种弹塑性材料MATL24，不考虑泡沫材料和塑料等材料。由于座椅的不同位置受力情况也不尽相同，所以不同部位使用的钢材也不同。表列出了该座椅所用的材料及其相关物理特性。表2-2材料基本参数1.3.2连接关系的简化汽车座椅骨架中主要有三种连接方式:焊接、螺栓连接和销连接。对汽车座椅骨架结构做静强度分析时，对连接关系进行模拟并不是很突出的问题，因此可以作适当的简化。焊接方式的模拟和简化一般来说，在汽车座椅骨架中有点焊、缝焊等几种焊接形式，包含板和板连接以及板和钢管连接这两种连接形式。在HyperMesh里建模时用来的模拟焊接方法有两种:一种是用刚性单元(rigid单元)将被连接件处于焊缝区域的结点对应相连;另一种方法是用柔性单元(如rod单元、weld单元、bar单元等)模拟连接。刚性单元模拟焊接方法的特点是刚性单元在加载时不吸收能量，它将能量完全转移给被连接件。这种模拟方法使得连接本身永远不会破坏即连接永不失效，但如果两个连接件强度