【玉米联合收获机驾驶室座椅静态舒适性仿真分析案例2800字】

玉米联合收获机驾驶室座椅静态舒适性仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u23250玉米联合收获机驾驶室座椅静态舒适性仿真分析案例 1308001.1座椅有限元模型建立 151531.1.1仿真流程及模型建立 1277751.1.2材料设置 315071.1.3网格划分 483021.1.4边界条件及施加载荷 4292081.2座椅靠背静态舒适性仿真分析 5227601.3座椅座垫静态舒适性仿真分析 746131.4小结 101.1座椅有限元模型建立玉米联合收获机驾驶室座椅其中包括与座椅体压分布无关的连接结构和调节部件，所以应对座椅模型进行简化，去掉一部分调节机构，留下直接与人体接触的座椅座垫和座椅靠背，使分析结果更直观、更高效，否则会增加许多无意义的分析节点，影响分析进度。1.1.1仿真流程及模型建立建立的有限元模型就是通过对连续的结构体进行网格划分的过程，对网格单元选择不同的单元类型然后通过线性方程来表达[61]。利用有限元分析的方法可以仿真模型的实际受力情况，由此可见，通过有限元法可以对座椅的静态受力情况进行模拟。有限元分析建立的平衡方程包括以下三个方面。(1.1)(1.2)(1.3)(1.4)(1.5)（3）针对座椅对应弹性力学的相关知识展开分析，弹性力学理论表明，座椅应力分量和应变分量呈现一定的线性关系，建立方程。(1.6)(1.7)座椅有限元模型建立过程如图1.1所示。图1.1座椅有限元模型建立流程图Figure1.1Flowchartofbuildingtheseatingfiniteelementmodel将座椅模型和人体模型都导入ANSYS中，如图1.2所示。图1.2ANSYS中座椅仿真模型Figure1.2SeatsimulationmodelinANSYS1.1.2材料设置进行仿真前，首先对座椅的材料属性进行设置，本文采用聚氨酯泡沫材料，聚氨酯泡沫具有重量轻、柔软度适中、缓冲性能好以及安全可靠的特点，不仅可以有效地支撑人体还可减轻由意外撞击给驾驶员造成的伤害，因此常用作座椅的海绵材料[62]。人体模型特征过于复杂，力学特性与多种因素有关。为了进行压力分布仿真实验，对人体模型进行简化，只考虑人体皮肤材料，参考相关资料将人体设置成为各向同性的线弹性材料[63]。座椅和人体的材料特性如表1.1所示。聚氨脂泡沫应力应变曲线如图1.3所示。表1.1聚氨酯泡沫材料Table1.1Resonancefrequenciesofmajorpartsofthehumanbody材料弹性模量密度泊松比聚氨酯泡沫0人体材料0.46图1.3聚氨酯泡沫材料的应力-应变曲线Figure1.3Stress-straincurveofpolyurethanefoam1.1.3网格划分导入座椅的几何模型后，接下来进行网格划分，网格划分的质量对有限元分析的结果有很大影响，在网格选项中添加网格尺寸设置网格尺寸为5mm，座椅靠背模型划分网格后共包含97983个节点，56974个元素；座椅座垫模型划分网格后共包含75689个节点，43767个元素；人体模型划分网格后共包含364801个节点，208472个元素，网格质量符合标准。表1.2为网格质量参数和标准。表1.2网格质量参数和标准Table1.2Gridqualityparametersandstandards网格质量参数靠背座垫人体标准ElementQuality0.825640.834110.82308>0.7AspectRatio2.23492.33111.8493<5JacobianRatio1.17231.19081.3331>0.7WarpageFactor009.6352e-3<5Skewness0.433140.434750.21819<1Minangle72.02272.07862.532>20Maxangle172.82170.27175.38<120网格划分情况如图1.4所示。图1.4模型网格划分Figure1.4Modelmeshgeneration1.1.4边界条件及施加载荷为了保证座椅体压分布仿真进的准确性，将三维人体模型和座椅进行装配，进行有限元分析。根据座椅设计角度，对人体模型进行定位调整，在两个模型不穿透的前提下，尽可能使人体背部与臀部接近座椅表面，设置摩擦系数为0.25。对座椅进行简化，在仿真中施加固定约束来模仿座椅骨架等结构，对仿真结果不产生影响。设置座椅靠背的后面和座椅座垫的底面为固定支撑。因为体压分布是受人体重力的影响，人体与座椅达到静力平衡，因此施加载的方式为对三维人体模型施加重力的方式，如图1.5所示。图1.5约束与载荷设置Figure1.5Constraintsandloadsettings1.2座椅靠背静态舒适性仿真分析应用ANSYS对添加约束和载荷后的座椅靠背模型进行静态舒适性分析，根据第二章分析得到的5%、50%、95%三个百分位数人体尺寸模型按照上述流程分别进行仿真分析，得到座椅靠背位移云图如图1.6、图1.7和图1.8所示。图1.65%小身材人体尺寸座椅靠背位移云图Figure1.6Displacementnephogramof5%smallbodysizeseatback图1.750%中等身材人体尺寸座椅靠背位移云图Figure1.7Displacementnephogramof50%middlebodysizeseatback图1.895%大身材人体尺寸座椅靠背位移云图Figure1.8Displacementnephogramof95%largebodysizeseatback从图1.6、图1.7和图1.8中可以看出，靠背的位移云图是对称的，座椅靠背位移云图最大位移从18.646mm到21.443mm再到25.545mm，随着驾驶员身材的不断增大座椅靠背最大位移也不断增大，从而增加人体与座椅靠背的接触面积。在得到座椅靠背位移云图后，继续对座椅靠背进行运算，得出座椅靠背应力仿真分析结果如图1.9、图1.10和图1.11所示。图1.95%小身材人体尺寸座椅靠背应力云图Figure1.9Stressnephogramof5%smallbodysizeseatback图1.1050%中等身材人体尺寸座椅靠背应力云图Figure1.10Stressnephogramof50%middlebodysizeseatback图1.1195%大身材人体尺寸座椅靠背应力云图Figure1.11Stressnephogramof95%largebodysizeseatback从图1.9、图1.10和图1.11中可以看出，由于人体和座椅都是对称的，所以座椅靠背的应力云图也呈对称分布，座椅靠背应力最大值从2.21895KPa到2.52196KPa再到1.10395KPa，且最大值出现位置略有不同，这是因为人体之间存在差异性，但应力基本集中在腰椎处和肩胛骨处，应力分布形式较为合理。1.3座椅座垫静态舒适性仿真分析由人机工程学理论可知，座椅使用时，座椅座垫承受驾驶员重量的较大部分，人体的臀部也受到压力，座椅座垫曲线与臀部形状匹配时，人体臀部能得到座椅的有效支撑，使人体肌肉和缓，不易感到疲劳，座椅舒适性最高。应用5%、50%、95%三个百分位人体模型继续对座椅座垫添加约束和载荷后进行静力学分析，得出的分析结果如图1.12、图1.13和图1.14所示。图1.125%小身材人体尺寸座椅座垫位移云图Figure1.12Displacementnephogramof5%smallbodysizeseatcushion图1.1350%中等身材人体尺寸座椅座垫位移云图Figure1.13Displacementnephogramof50%middlebodysizeseatcushion图1.1495%大身材人体尺寸座椅座垫位移云图Figure1.14Displacementnephogramof95%largebodysizeseatcushion从图1.12、图1.13和图1.14中可以看出，座垫的位移云图是对称的，座椅座垫位移云图最大位移从27.912mm到21.443mm再到34.557mm，随着驾驶员身材的不断增大座椅靠背最大位移也不断增大，从而增加人体与座椅靠背的接触面积。在载荷作用下，座垫受压情况与实际情况基本相符。在得到座椅座垫位移云图后，继续运算，得出座椅靠背应力仿真分析结果如图1.15、图1.16和图1.17所示。图1.155%小身材人体尺寸座椅座垫应力云图Figure1.15Stressnephogramof5%smallbodysizeseatcushion图1.1650%中等身材人体尺寸座椅座垫应力云图Figure1.16Stressnephogramof50%middlebodysizeseatcushion图1.1795%大身材人体尺寸座椅座垫应力云图Figure1.17Stressnephogramof95%largebodysizeseatcushion图1.14、图1.15和图1.16分别对应三个不同百分位人体在座椅座垫上应力分布云图，根据理想体压分布原则，从图中可以看到，三个不同身材座椅座垫应力最大值从6.65686KPa到7.86720KPa再到8.97668KPa，它们所在位置与人体坐骨结节处相对应，并以其为中心，向四周衰减。从整体上，可以看出对于同一名驾驶员来说，靠背上的应力明显小于座垫上的应力，驾驶员与靠背的位移也小于座垫位移，说明靠背接触面积也相对较小，这是因为靠背仅承受了人体重量的20%～30%，人体大部分重量由座垫承受。对于不同驾驶员来说，随着身材的增大，最大应力值变化不明显，主要原因是身材增大的同时人体与座椅的接触面积也增大，因此应力值增大幅度较低。表1.3座椅静态体压分布范围数据Table1.3Soundfieldofprototypebottomplateinarmoredvehicle参数数值靠背位移18.646~25.545mm靠背应力2.218