【玉米联合收获机驾驶室座椅优化设计案例分析5000字】

玉米联合收获机驾驶室座椅优化设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u21431玉米联合收获机驾驶室座椅优化设计案例分析 1140441.1玉米联合收获机驾驶室座椅优化设计模型 1209461.2玉米联合收获机驾驶室座椅静态舒适性优化分析 2267361.2.1海绵厚度对座椅静态舒适性的影响 341031.2.2座椅腰部支撑量对座椅静态舒适性的影响 5125741.3玉米联合收获机驾驶室座椅动态舒适性优化分析 6142581.4基于多目标粒子群算法的座椅参数优化 846401.5玉米联合收获机驾驶室座椅优化结果 9300231.6驾驶室座椅优化结果对比 10321771.6.1座椅静态舒适性仿真分析 10295121.6.2座椅动态舒适性仿真分析 131.1玉米联合收获机驾驶室座椅优化设计模型对于座椅优化设计采用多目标优化方法，包含三个要素，优化变量、目标函数和约束条件。优化变量是为了得到最终合适的变量值，选取调整的参数。目标函数是评价优化变量进行调整后结果好坏的标准。约束条件即对优化变量的取值范围进行规定。优化设计数学模型的表达式为：(1.1)式中，—优化变量；—目标函数；—约束条件；（1）优化变量座椅物理参数有海绵厚度、靠背支撑量以及刚度、阻尼等。改变座椅的弹簧阻尼系数、海绵厚度以及靠背支撑量也可以改变整车的驾驶舒适性。改变座椅刚度和阻尼，可以在不改变整车质量前提下大幅度改善不同工况下车辆产生的输入激励传递至驾驶员的振动效果。因此，选取优化变量为座椅刚度阻尼、海绵厚度以及靠背支撑量。对座椅参数进行优化设计，优化变量的表达式为(1.2)式中，—座椅刚度；—座椅阻尼；—悬架刚度；—悬架阻尼；—海绵厚度；—靠背支撑量。（2）目标函数目标函数是设计中预期要达到的目标，即降低吸收功率和降低平均应力，进而达到最舒适。根据上述对优化变量分析，优化的目标函数为最小吸收功率表达式为：(1.3)式中，—为总加权吸收功率；ƒ—频率。平均应力指驾驶员与座椅接触面最大应力和最小应力的平均值，目标函数是使平均应力最小，座椅舒适性越高。最小平均应力为：(1.4)式中，—平均应力；—第个应力点的应力大小；—接触面受力点。（3）约束条件一般根据设计变量导出，同时，。考虑到实际加工的问题，还需确定边界条件，即各个优化变量的取值范围：(1.5)基于上述分析，通过建立座椅优化数学模型，选取优化变量参数。目标函数为降低人体吸收功率和平均应力，提高驾驶舒适性。约束条件为座椅参数的上下限约束，对座椅性能产生主要影响的相关参数进行优化分析，确定相关参数的相对最优值，最后得到座椅最终设计方案。1.2玉米联合收获机驾驶室座椅静态舒适性优化分析驾驶室座椅的静态舒适性与驾驶员的身体健康息息相关，座椅用海绵作为主要填充物，海绵的材料、尺寸、形状等都会对座椅舒适性造成影响。海绵厚度合理不仅起到支撑人体的作用，还有助于人体维持姿势、减震缓冲。不合理的海绵厚度可能造成过度支撑或无效支撑，不利于驾驶员身体健康且增加成本。综上所述，需要利用人体体压分布仿真实验研究合适的海绵厚度对舒适性的影响。1.2.1海绵厚度对座椅静态舒适性的影响设置座椅的海绵厚度每10mm为一个参数，从10mm到60mm逐渐递增，靠背和座垫的厚度变化同时进行，应用上文建立的三个百分位人体模型进行仿真，为了方便表示，将第5百分位小身材成年男性用A表示，第50百分位中等身材成年男性用B表示，第90百分位大身材成年男性用C表示，具体方案如下表1.1所示。表1.1海绵厚度对座椅舒适性影响仿真方案Table1.1Simulationschemeofinfluenceofspongethicknessonseatcomfort方案人体模型厚度范围/mm1-5A10~606-10B10~6011-15C10~60海绵厚度逐渐增大，不同身材A、B、C驾驶员与座垫、靠背的接触面积发生的变化通过统计得到如图1.1所示的关系。图1.1接触面积随厚度变化趋势图Figure1.1Trendofcontactareawiththickness由图1.1可知，接触面积在海绵厚度渐增的情况下发生变化，随着海绵厚度的增加，A、B、C驾驶员的接触面积均有变大的趋势。海绵厚度与靠背与座垫上的压力情况如图1.2所示。图1.2座椅承受的力随厚度的变化趋势Figure1.2Variationtrendofforceonseatwiththickness由图1.2可知，随着海绵厚度的增加，座椅的靠背与座垫上的压力值基本没有变化，由此可知海绵厚度并没有影响到压力的大小。图1.3最大压强随厚度的变化趋势Figure1.3Variationtrendofmaximumpressurewiththickness由图1.3可知，当海绵厚度增加时，A、B、C驾驶员受到的最大压强均变小了。原因是在保持A、B、C驾驶员重量一定，接触面积随厚度的增加而增大，所以受到的压强明显下降了，提高了驾驶员的舒适性。海绵厚度对人体最大应力变化情况的影响如图1.4所示图1.4组织应力随厚度的变化趋势Figure1.4Variationtrendofmicrostructurestresswiththickness由图1.4可知，当座椅海绵厚增加时，人体最大应力逐渐变小，这对提高座椅舒适度有一定影响。综上所述，海绵厚度改变对体压分布的指标会产生影响。对同一驾驶员来说，海绵厚度增加，座椅上的压强也随着减小，还能减小人体受到的最大应力，这些参数的变化均对座椅的舒适性产生积极的影响。1.2.2座椅腰部支撑量对座椅静态舒适性的影响驾驶员在座椅上应尽量保持脊柱处于自然弯曲状态，以减小疲劳感。座椅靠背腰部是靠背设计的要点，通过第二章的座椅靠背曲线拟合我们可知，腰部支撑位置一般位于人体4-5根腰椎的高度，比较固定，但是最佳腰部支撑量会因为人体不同而不同。以座椅腰部支撑量原始状态为基础，设置靠背腰部支撑厚度从每10mm为一个参数，从0mm到40mm逐渐递增，应用上文建立的三个百分位人体模型进行仿真，保证仿真的普适性。表1.2腰部支撑量对座椅舒适性影响仿真方案Table1.2Simulationschemeoftheinfluenceoflumbarsupportonseatcomfort方案人体模型厚度范围/mm1-5A0~406-10B0~4011-15C0~40腰部支撑量对驾驶员与座椅接触面积的影响情况如图1.5所示。图1.5接触面积随腰部支撑量的变化趋势Figure1.5Variationtrendofcontactareawiththeamountoflumbarsupport由图1.5可知，腰部支撑量变大的过程中，实验人员A，B，C与座椅靠背的接触面积均变小了但座垫面积基本没变化。腰腰部支撑量对最大压强变化情况的影响如图1.6所示。图1.6最大压强随腰部支撑量的变化趋势Figure1.6Variationtrendofmaximumpressurewiththeamountoflumbarsupport由图1.6可知，A，B，C驾驶员，座垫处最大压强没有明显增大，而靠背处最大压强显著变大。综上所述，腰部支撑量在一定范围内变化对座椅靠背的指标会产生影响。随着腰部支撑的增大，最大压强不断增大。但对座垫影响不大。因此合理的腰部支撑量不能缺少对腰部的支撑也不能过度支撑导致人体处于不平衡状态。1.3玉米联合收获机驾驶室座椅动态舒适性优化分析玉米联合收获机行驶在田地上，会受到速度和路面条件的影响，优化时需要确定行驶工况。选择E级路面下，车速为10Km/h的情况下进行优化。座椅由座垫和悬架两部分组成，分别研究座垫和悬架动力学参数对人体头部加速度响应。在ADAMS中仿真后得到人体头部加速度响应和共振频率曲线，将曲线峰值经过统计得到下面的关系。（1）将悬架参数固定，，座垫阻尼不变，刚度变化时，座垫刚度与人体头部加速度峰值和共振频率的关系，如图1.7所示。图1.7座垫刚度对加速度峰值和共振频率的影响Figure1.7Influenceofcushionstiffnessonpeakaccelerationresponseandresonancefrequencyofhumanhead座垫刚度不变，阻尼变化时，座垫阻尼与人体头部加速度峰值和共振频率的关系，如图1.8所示。图1.8座垫阻尼对加速度峰值和共振频率的影响Figure1.8Influenceofcushiondampingonpeakaccelerationresponseandresonancefrequencyofhumanhead（2）将座垫参数固定，，悬架阻尼不变，刚度变化时，测得人体头部加速度峰值、共振频率的关系如图1.9所示。图1.9悬架刚度对加速度峰值和共振频率的影响Figure1.9Relationshipbetweensuspensionstiffnessandhumanheadaccelerationresponse悬架刚度不变，阻尼变化时，测得人体头部加速度峰值、共振频率的关系如图1.10所示。图1.10悬架阻尼对加速度峰值和共振频率的影响Figure1.10Relationshipbetweensuspensiondampingandhumanheadaccelerationresponse由图1.7可知，当座垫阻尼不变，刚度变大，人体头部加速度响应随着增大，说明提高驾驶员舒适性应减小刚度，但过度减小刚度会导致座椅的形变量增大，支撑量减少驾驶员产生疲劳感，所以刚度大小有一定限制。由图1.8可知，当座垫刚度不变，阻尼增大时，人体头部加速度响应随着减小，说明提高驾驶员舒适性应增大座垫阻尼，但座垫阻尼受材料和工艺限制，也不可能无限大。由图1.9和图1.10可知，座垫刚度和阻尼一定时，人体头部加速度响应也受悬架刚度和阻尼的改变而发生变化，但共振频率始终保持不变。1.4基于多目标粒子群算法的座椅参数优化基于多目标粒子群算法PSO对座椅结构进行优化设计，每个粒子代表一个可能解，所有的可能解，组合成了粒子群[76-78]。在解空间，历史信息和群体信息决定了粒子的运动速度和方向，目的是找到最优解。每个粒子的位置与速度更新变化方式为:(1.6)式(1.6)中，为加速因子，表示加速权重。是为0~1范围内的随机数。在搜索空间内，位置向量在范围内变化，速度向量在范围内变化。在进行迭代过程中，若位置和速度的值超出规定范围，则选取边界值[79]。迭代计算过程为：(1.7)由以上对优化算法的分析总结出座椅结构优化具体步骤为：在设定约束条件与座椅基本结构参数后，将优化变量初始化，开始进行迭代计算，得到计算结果，若满足收敛条件则结束优化，输出结果。否则重新迭代进行计算。优化设计程序流程如图1.11所示。图1.11座椅结构优化程序流程Figure1.11Procedureflowofseatstructureoptimization1.5玉米联合收获机驾驶室座椅优化结果根据已建立的优化设计模型和多目标粒子群算法，进行优化分析，优化参数结果如表1.3。表1.3优化参数的结果Table1.3Resultsofoptimizingparameters参数优化结果海绵厚度30mm腰部支撑量Nm20mm座椅刚度座椅阻尼悬架刚度悬架阻尼1.6驾驶室座椅优化结果对比1.6.1座椅静态舒适性仿真分析根据上述对得到的优化后座椅模型的处理，在ANSYS中对座椅的静态舒适性进行仿真分析，包括座椅的应力与位移云图。在初始座椅靠背模型的基础上对靠背腰部支撑量和海绵厚度进行增加，调整座椅靠背和人体的贴合性，完成座椅的优化，按照第三章有限元分析流程进行仿真分析，如图1.12所示为座椅靠背腰部支撑和海绵厚度优化前后的应力分布云图。优化前（b）优化后图1.12优化前后座椅靠背应力分布云图对比Figure1.12Comparisonofstressdistributionnephogramofseatbackbeforeandafteroptimization通过体压结果对比表明优化后的靠背在体压分布形式上满足腰部和肩部支撑，更符合良好压力分布形式；优化后座椅压力接触面积为较原来有一定程度的增加，靠背最大应力由2.52196KPa减小至2.26977KPa，，压力整体分布形式较好，座椅靠背舒适度有较大提升。如图1.13所示为座椅座垫优化前后的体压仿真对比示意图。（a）优化前（b）优化后图1.13优化前后座椅座垫应力分布云图对比Figure1.13Comparisonofstressdistributionnephogramofseatcushionbeforeandafteroptimization结果对比表明优化后的座垫在体压分布形式上满足大腿和臀部的支撑，更符合良好压力分布形式；优化后座垫接触面积较原来有一定程度的增加，座垫的最大应力由原来的7.86720KPa减小至7.36289KPa，压力整体分布形式较好，座椅座垫舒适度得到提升。（a）优化前（b）优化后图1.14优化前后座椅靠背位移分布云图对比Figure1.14Comparisonofnephogramofseatbackdisplacementdistributionbeforeandafteroptimization优化前（b）优化后图1.15优化前后座椅座垫位移分布云图对比Figure1.15Comparisonofdisplacementdistributionnephogramofseatcushionbeforeandafteroptimization如图1.14和图1.15所示，腰部和臀部位置得到了支撑，优化后的靠背和座垫的最大位移和接触面积较优化前有较大增加，舒适性提升明显。靠背上体压分布结果中最大应力值出现的腰部区域，座垫上最大应力值出现的臀部区域，此二处的位移都变大，同时座垫前端和座垫侧翼也有一定的支撑效果，优化后的座椅体压分布结果合理。表1.4静态舒适性优化结果前后对比Table1.4Comparisonofstaticcomfortoptimizationresultsbeforeandafter项目优化前优化后靠背位移(mm)21.44321.253靠背应力(KPa)2.521962.26977座垫位移(mm)31.68936.219座垫应力(KPa)7.867207.36289表1.4列举了优化前后人体座椅的应力和位移仿真结果对比情况。分析表1.4可以看出，座椅靠背和座垫的各项指标优化率分别为17.8%、9.9%、14.3%和6.5%，座椅静态舒适性得到一定程度的优化。1.6.2座椅动态舒适性仿真分析依据上文对座椅刚度和阻尼参数的优化分析，对人体—座椅动力学模型再次进仿真计算，在Adams中的E级工作路面下对行驶时的人体头部加速度响应进行计算，设定玉米联合收获机的行驶速度为10km/h，时间为80，步长为1000，得到优化前后时域和频域的仿真结果。图1.16E级路面下头部加速度优化前后对比Figure1.16ComparisonofheadaccelerationbeforeandafteroptimizationunderE-classpavement由图1.16可知，座椅的刚度与阻尼在经过优化后，人体头部的加速度响应曲线明显降低，由优化前的最高降低到优化后的最高，人体头部加速度得到降低，座椅的驾驶舒适性