汽车座椅有限元建模与计算
某轿车后排座椅骨架CAE分析及轻量化设计
某轿车后排座椅骨架CAE分析及轻量化设计随着现代科技的快速发展，汽车作为一个重要的交通工具，不断地在各个方面得到了升级和完善。
其中，座椅骨架作为一项关键的结构部件，其性能和质量直接关系到乘坐者的安全和舒适性。
本文将针对某轿车的后排座椅骨架进行CAE分析和轻量化设计。
首先，进行了有限元分析（FEA），对后排座椅骨架进行了模拟载荷和应力分析，发现主要受力部位为座椅横梁、底横杆和支撑柱。
经过计算和优化，设计出了一种新的轻量化骨架结构——采用高强度铝合金材料，配合特殊的构造，将骨架重量成功减少30%以上。
针对新的骨架结构，进行了数值模拟，发现其强度和刚度性能均达到了设计目标。
同时，在这种轻量化设计的结构下，座椅的舒适性和稳定性也得到了提升。
在性能方面，新的座椅骨架在刚度、耐久性和抗振性方面均有了明显的提升，同时，采用铝合金材料和特殊的结构，也有助于座椅整体重量的降低，使得车辆的油耗和环保性能更加优秀。
此外，新的座椅骨架还具有其他优点，例如加工成本低、易于维修和更换、可适应多种型号的轿车等等。
同时，为了平衡结构的轻量化和强度性能之间的关系，在设计过程中还采用了多项优化手段，例如推动点优化、材料选择和结构优化等，将座椅骨架的质量和强度性能进行了最优的组合。
综上所述，对某轿车的后排座椅骨架进行了CAE分析和轻量化设计。
新的结构采用高强度铝合金材料，经过数值模拟优化，将骨架重量减少了30%以上，同时其强度、舒适性和可靠性能均得到了提升。
通过优化设计和多种优化手段的应用，使得结构的轻量化和强度性能之间达到了最佳的平衡，为轿车的性能和质量带来了进一步的提升。
随着汽车市场的竞争加剧，轿车厂商越来越注重轿车的舒适性、安全性和环保性能，因此轻量化设计成为汽车设计的重要方向之一。
在这个背景下，轿车座椅骨架的轻量化设计也越来越受到关注。
在本篇文章中，我们将介绍座椅骨架的轻量化设计和其对轿车整体性能的影响。
座椅骨架是座椅的支撑结构，通常由金属材料制成。
汽车座椅建模步骤
汽车座椅建模分析建模分析：该汽车座椅主要由“座椅座垫”和“座椅靠背”两部分组成，如图1所示。
而以上两部分又分别由3条曲线组成，因此，建模过程中主要是对这6条曲线的构建，然后用【通过曲线网格】命令进行曲面的构建。
座椅座垫的构建1、在XY平面内创建如下7个点。
2、用命令创建如下样条曲线，并退出草图。
3、在YZ平面创建如下4个点，用命令创建如下样条曲线，并退出草图。
4、在XY平面内创建如下7个点，并绘制曲线，退出草图。
5、将第3、4步的曲线分别向两侧拉伸300mm。
6、用命令创建两曲面的相交曲线。
7、在YZ平面创建如下4个点，用命令创建如下样条曲线，并退出草图。
8、在XY平面内创建如下7个点，并绘制曲线，退出草图。
9、将第7、8步的曲线分别向两侧拉伸300mm。
10、用命令创建两曲面的相交曲线。
11、隐藏相关曲线和面，只显示如下曲线结果。
注意坐标轴的方向。
12、用命令创建如下两端面的样条曲线。
13、用命令创建如下网格曲面。
14、用命令，将上下两平面进行封闭。
命令在【艺术曲面】-【N侧组】内。
15、用命令将3个曲面进行合并，并对底面用【边倒圆】命令倒R15的圆角。
座椅靠背的创建1、在YZ平面创建如下草图。
2、用【基准平面】中的“两直线”方式创建如下基准平面。
3、再次用【基准平面】中的“成一角度”方式，选择上步创建的基准平面为“平面参考”，选择较长直线为“通过轴”，角度选项中选择“垂直”创建如下基准平面。
4、在上步创建的基准平面上绘制如下草图曲线。
5、仍然在上步的基准平面上创建如下草图曲线。
6、在第2步创建的基准平面上绘制如下草图曲线，并用第3步的基准平面作为水平方向参考平面。
7、将第5、6步创建的草图曲线向两侧拉伸300mm。
8、用命令创建两曲面的相交曲线。
9、用第3步创建的基准平面创建如下草图曲线。
10、在第2步创建的基准平面上绘制如下草图曲线。
要点：以第3步创建的基准平面为“水平”方向参考平面，并注意坐标轴方向的调整。
应用Hypermesh软件进行汽车座椅强度及碰撞仿真分析
应用Hypermesh软件进行汽车座椅强度及碰撞仿真分析随着汽车工业现代化技术的发展，汽车广泛的进入人们生活中，而汽车座椅做为与人体直接接触的部件，其舒适性和安全性的重要程度是不言而喻的。
本文应用Hypermesh软件对汽车座椅静强度及碰撞及逆行有限元仿真分析，以供参考。
标签：汽车座椅；强度；碰撞；有限元仿真分析引言近年来，随着汽车保有量的增加，汽车道路交通事故呈逐年上升趋势。
在这些事故中，座椅作为减少损伤的安全部件对乘员起到了决定性的保护作用，使其成为汽车安全性研究中的重要部件。
采用有限元仿真技术，对座椅靠背进行静强度以及碰撞冲击强度分析，可减少开发过程中设计、试验、分析和评价循环的成本，缩短研究时间。
GB15083-2006标准中要求：当座椅处于制造厂所规定的正常使用位置时，构成行李舱的座椅靠背或头枕应具有足够的强度以保护乘员不因行李的前移而受到伤害。
试验的过程中及试验后，如果座椅及其锁止装置仍保持在原位置，则认为满足此要求。
一、汽车座椅有限元模型的建立（一）、搭建模型：用Hypermesh中的提取中面功能，抽取中面建立有限元模型，搭建被测汽车座椅骨架模型和地板模型，在不影响正常分析结果的前提下适当简化了运算模型，见图1。
图1 座椅强度分析的有限元模型其中座椅骨架采用壳单元进行网格划分，采用单元长度基准为10mm、最小单元长度不小于5mm、最大单元长度不大于13mm的规则来划分网格。
各钣金件之间的焊点和螺栓用刚性连接模拟。
建立的有限元模型共有节点个28640，壳单元23477个，体单元7718个，刚性连接694个。
利用ANSA软件LS-DYNA 模块对图1所示模型进行边界条件的加载及其属性（材料参数和厚度）定义，其中座椅骨架所用材料及厚度、直径见表1。
模型的加载过程按照标准GB15083-2006中的要求进行，发生碰撞前，行李箱模块以50km/h的初速度做减速运动，减速度为20g。
表1 座椅骨架材料（二）、边界条件的确定在进行座椅强度分析时，根据座椅与车身地板的连接形式和安装位置，在座椅骨架中锁柄连接处以及靠背与车身地面的铰接处施加约束。
汽车座椅的四连杆机构有限元分析_产品创新数字化(PLM)_CAE_1700
汽车座椅的四连杆机构有限元分析_产品创新数字化(PLM)_CAE_1700汽车座椅的四连杆机构有限元分析_产品创新数字化(PLM)_CAE摘要:本文前后处理利用了HyperMesh软件，计算分析应用Abaqus软件。
给出了一种汽车座椅系统Beam模型。
主要探讨Abaqus软件Beam单元简化模型，用于改进座椅的四连杆机构设计的分析方法。
按照汽车座椅的碰撞分析的载荷工况，用Abaqus软件对座椅系统进行了碰撞试验工况的有限元计算分析，得到了四连杆机构的截面应力以及弯矩，大大节省了分析运算的时间。
同时，可以评定杆件是否失效与失稳，应用于结构设计，加快了设计进度，并优化设计。
关键词:碰撞 ABAQUS Beam模型有限元计算分析一、前言汽车座椅碰撞试验的研究意义主要在于:当高速碰撞发生时，椅子结构不被破坏，乘员不会受到伤害。
一般每个国家都有其各自的国家标准，椅子作为汽车中与乘客关系最为密切的部件，更因为其安全性的重要，而受到广泛关注。
目前，欧美各国，有限元分析已成为汽车座椅设计阶段的重要辅助设计手段，对于真实试验的仿真模拟，提供结构改进意见。
本文所阐述的碰撞试验，是利用两个试验块分别模拟人的胸部和腰部，将其用安全带固定在椅子上，施加外力，模拟汽车发生前碰撞的时候，人和椅子自身对于椅子的作用力。
由于试验模拟的是瞬间碰撞过程，所以运用LS-DYNA来计算，能达到比较理想的结果。
通常情况下，完成一把椅子的分析，需要由建模、分析计算到后处理，三个主要部分，大约需要三到四周的时间。
构建一把椅子的有限元模型，大约要有十万个节点和二十万个单元，这样一个普通双cpu服务器大约要算三十个小时。
这是一般客户能接受的时间。
有时客户还会需要缩短时间，得到一个较粗糙，但是可接受的结果。
本文论述的这个分析，正是在客户的要求下，为了缩短分析周期，改用Abaqus软件计算，同时用Beam单元(一维单元)建模。
通过简化模型，不考虑接触的影响，对某座椅系统进行了有限元计算分析。
基于ABAQUS的汽车座椅塑料件有限元分析
基于ABAQUS的汽车座椅塑料件有限元分析作者：霍夫汽车设计北京有限公司刘明卓来源：汽车制造业汽车座椅塑料件的现状与发展伴随着汽车外形的变化，座椅也发生了很多变化，从开始类似于沙发的汽车座椅发展到现在功能齐全的座椅，这与汽车产业的迅猛发展和科技成果的不断发明、运用是分不开的，这其中又以塑料件的运用最为突出。
据2005年欧洲车用材料构成表显示，塑料材料的应用比重约占整车的10%，如图1所示。
而在汽车座椅上，所有塑料件的比重也约占到座椅总比重的12%，其他用到塑料件的汽车部位还包括保险杠、仪表板、装饰件和内饰件等。
图1 2005年欧洲车用材料构成表之所以塑料件会得到如此广泛的应用，主要是由于塑料件具有以下优点：1.质量比其他结构件要轻很多，可以满足汽车轻量化的要求；2.具有良好的防锈功能，外型美观大方；3.具有吸震功能，可以较大幅度地提高汽车座椅的舒适性、减少噪音；4.塑料件可塑性比较强，因而设计的自由度大，可以制作出各种各样复杂的样件；5.成型性好，可以降低零件数目等。
所有这些优点都使得塑料件在汽车座椅以及整车上的比重逐步加大，同时对塑料件性能、强度等方面的测试也提出越来越高的要求。
有限元分析在汽车座椅塑料件上的作用和意义作为零部件厂商，积极并有效地使用CAX工具，对降低试验经费、减少开发及制造成本有着重要意义。
经证实，在产品开发概念阶段及设计初期，有限元分析的介入可以尽早发现和避免设计缺陷，避免了后期的设计更改所带来的巨大的人力和物力的再投入，从而节省大量的时间及开发成本。
无论是大企业还是小企业，以工程分析推动产品开发的理念都是不可缺少的，通过科学的数学计算辅助认证设计、规范产品设计流程，是提高企业设计水平、提高行业开发能力、增强产品市场竞争力，使我国由简单的制造大国向有技术能力的制造加设计大国转变道路中至关重要的一步。
随着CAE技术的不断发展，目前的汽车产品设计已经逐步用有限元分析取代了原有粗糙的手工计算和经验设计，通过计算机模拟分析，在设计初期就能发现问题，避免了大量的样件制作和产品试验，既缩短了设计周期，也极大地降低了产品开发的成本，提高了经济效益。
汽车座椅有限元建模与计算
收稿日期:2004-07-22作者简介:王宏雁(1962-),女,黑龙江哈尔滨人,工学博士,副教授.E 2mail :why 2sos @汽车座椅有限元建模与计算王宏雁,张 丹(同济大学汽车学院,上海 200092)摘要:采用“壳-体单元相结合”的方法建立座椅计算机辅助分析(CAE )模型.利用Ansys 软件计算了座垫弹性,与座椅试验的力-变形曲线对比,以验证建模与材料定义的正确性.另外还利用正面模拟碰撞中乘员的运动响应,分析了座椅材料的软硬程度对乘员伤害指标的影响.关键词:汽车座椅;有限元;建模;计算中图分类号:U 270.2 文献标识码:A 文章编号:0253-374X (2004)07-0947-05Modeling and Simulation with Finite ElementMethod in Vehicle SeatsW A N G Hong 2yan ,ZHA N G Dan(College of Automobiles ,Tongji University ,Shanghai 200092,China )Abstract :Establish the computer 2aided engineering model of car seat with the methods “shell and solid elements combining ”,calculate the elasticity of seat with pared with the “force 2distortion ”curve of seat test ,we examine the validity of modeling and the definition of materials.The influence of seat softness to the injury index of the driver in frontal crash is also discussed.Key words :car seat ;finite element method ;model building ;simulation 汽车座椅不仅要能够支撑乘员身体的重量,减轻乘员的疲劳以满足主动安全性要求,还要求能与安全带和安全气囊匹配,对乘员定位,缓解碰撞的强度,使乘员的损伤指标达到最小,以满足被动安全性要求[1].在汽车碰撞安全性模拟分析过程中,乘员约束系统的作用不可忽视,所以作为系统因素之一的汽车座椅的建模方法以及它对碰撞模拟分析精度的影响值得探讨.1 座椅模型的建立在整个有限元求解过程中最重要的环节是有限元前处理模型的建立.这一般包括几何模型、网格划分、添加约束与载荷以及定义材料等.它直接影响着碰撞仿真的计算精度和效率.建模的基本原则是准确性,为了保证计算精度,模型必须能够如实反映座椅的几何特性和力学特性.为了提高模拟计算的效率,在建模时还必须考虑单元类型、数量和质量等因素.座椅有限元模型的建立原则为(1)在保证计算目的和精度的条件下,适当简化模型.(2)合理选择单元类型,减少输入数据量和计算时间.(3)合理控制单元大小,相应分配模型单元数.1.1 壳单元的选取第32卷第7期2004年7月同济大学学报(自然科学版)JOURNAL OF TON G J I UN IVERSITY (NATURAL SCIENCE )Vol.32No.7 J ul.2004壳单元的选取应从精度、效率以及对几何型面进行离散化时的方便性和准确性加以考虑.H Y2 PERM ESH软件提供了103,104,106,108号等多种壳单元类型,座椅骨架有限元模型通常采用三角形(103号)和四边形(104号)壳单元.从几何模拟角度看,采用三角形单元进行空间型面离散化,较为灵活、方便、准确,尤其易于逼近复杂的过渡面,在许多CAD/CAM软件中常常采用三角形单元,用作基本的离散化单元,但在有限元分析中,三角形单元的计算精度和准确度较差[2].四边形单元具有较高的精度和准确度,可以有效保证座椅有限元模拟计算与实车碰撞结果的一致性,但四边形单元的计算效率比较低,需要较长机时才能完成模拟计算.建立座椅有限元模型时,尽量采用了四边形单元,尤其是对于座垫、靠背、底座骨架等关键受力部位,全部采用四边形单元划分网格;个别尺寸、形状变化较大的区域,如座椅侧两表面相交处,采用了少量三角形单元.三角单元的比例控制在占总单元数的10%以下(如图1).1.2 体单元的选取H YPERM ESH软件提供了204,206,208,210,215,220等多种体单元类型,根据国外体单元建模经验与笔者的研究结果,座垫、靠背和头枕泡沫的建模选用六面体单元(208号),质量较四面体单元好,而且计算速度快(如图2).图1 骨架底板CAE模型Fig.1 CAE model of skeletonplate图2 座椅头枕CAE模型Fig.2 CAE model of headrest1.3 单元质量的控制根据经验和计算精度的要求,确定控制单元质量原则,见表1.表1 单元质量原则T ab.1 Principle of element qu ality壳单元体单元共用参数warpage(翘曲度)<5.0°<5.0°aspect(单元长宽比)<5.0<5.0 skew(弯曲度)<60.0°<60.0°Length(单元长度)>7.5mm>20mm Jacobian(雅克比)>0.7>0.7tet collapse>0.5 tetra AR<5.0对四边形单元min angle(最小角度)>45°max angle(最大角度)<135°对三角形单元min angle(最小角度)>20°max angle(最大角度)<120°对四边形单元面min angle(最小角度)>45°max angle(最大角度)<135°对三角形单元面min angle(最小角度)>20°max angle(最大角度)<120° 座椅有限元模型如图3～5所示.1.4 模型各部分的连接座椅骨架部分构件是通过焊接装配的,这就涉及到零件焊接工艺的模拟.目前,在有限元计算中对焊接的模拟主要有杆单元连接法、公用单元法和公用节点法等3种比较成熟的方法,如图6～8所示. 公用节点法是一种比较简单的焊接模拟方法,即在焊点位置将所对应的2个零件的单元节点连接起来,两单元公用同一节点,从而模拟焊点的连接功能.杆单元连接法是指在焊点位置采用一无质量的849 同济大学学报(自然科学版)第32卷 刚性杆单元将对应位置的2个节点连接起来.刚性的杆单元约束住所连接的节点,使其具有相同的自由度,以模拟实际焊点的焊接功能,并且还可以定义杆单元承受的轴向力极限和剪切力极限,当超过极限力时,杆单元的约束功能消失,从而模拟焊点失效.公用单元法则可以单独定义公用单元的材料特性,以模拟实际焊接处的金属材料特性,同时也可定义相应的焊接失效条件,因此,这种方法可以对焊点实现精确的模拟,但是工作量十分巨大,不仅需要对焊点作专门的材料试验,而且在有限元网格处理方面也具有一定的难度.比较3种焊接模拟方法,公用单元法虽然最精确,但工作量过于巨大,而且相应的试验会大大增加研究的时间和费用,对本课题而言不适合;公用节点法精度次之,相对也较为简单,零件模型之间吻合精度较高,因公用节点产生的单元翘曲问题比较少,所以在座椅各部分连接时选用了这种方法.1.5 计算模型的定义本课题选用了PAM2CRASH软件进行模拟碰撞分析,所以在它的前处理软件中建立座椅的计算模型.1.5.1 材料参数选择座垫泡沫选用21号材料(elastic foam with hys2 teresis);座椅外包层选用103号材料(iterative elas2 tic plastic);座椅骨架壳单元采用100号材料(null material for shell element),具体参数参考国外公司提供的数据.1.5.2 接触定义人体模型与座椅的接触采用“面对面”方式,即利用软件提供的33号surface/surface接触,对假人臀部和座垫上表面之间的接触、假人背部和靠背内侧表面之间的接触作定义.座椅泡沫自接触(seat2 self)采用边缘处理自接触方式,即软件所提供的36号(self impacting with edge treatment)接触.2 座椅有限元模型的验证通过网格划分和结构连接,将整个座椅离散为4079个壳单元,2955个体单元,建立了完善的座椅CAE模型(见图9).由于座椅CAE模型是经一些简化后得到的,简化过程是否合理,各部分连接是否恰当,尤其是材料的定义是否准确,直接关系到后期碰撞模拟的真实性和可靠性.所以,必须对座椅CAE模型进行静态计算验证.厂方提供了座椅的加载与变形试验曲线,因此,模型静态计算验证实际就是利用软件进行加载与变形的模拟,考察计算数据是否与实际试验结果相符.本课题采用了Ansys软件.对单元进行定义,包括单元类型、实常数、材料特性等.其中骨架和外包壳单元选用Shell63号单元,泡沫体单元选用Solid 45号单元,见图10.根据座椅通常受力情况,对座垫内固定区域加949 第7期王宏雁,等:汽车座椅有限元建模与计算 载,见图11,每个节点受力均匀.加载节点数为132;面积为400mm ×400mm ;载荷以50N 为步长,从10N 依次增加至650N ,每次加载位置不变.对比计算与试验结果可知:模拟计算结果与试验曲线总的走势基本相符.但在同一载荷作用下,模拟计算的座椅泡沫变形量比真实座椅产生的变形要大一些.在载荷为600N 时,最大相对误差为29.8%(见图12).说明模型对座垫泡沫材料的定义偏软.图12 计算结果与试验曲线对比Fig.12 Curve comparison betw een simulation and test3 座椅材料的软硬程度对碰撞安全性分析的影响 如前所述,在座椅的计算模型建立过程中,座椅材料的定义由于没有试验条件,所以参考了国外汽车公司的试验和经验数据,静态计算结果也表明,所定义的材料偏软.因此必须对材料参数是否会影响最终的整车乘员约束系统的运动响应模拟分析精度[3]进行研究.笔者通过对比不同的座垫泡沫材料在碰撞时对乘员造成的伤害指标,来验证座垫泡沫材料定义的可靠性.根据国家标准,选取假人头部伤害指标I HIC 值、胸部综合加速度a 3ms 、大腿轴向受力F 等3项伤害指标作为评价标准.应用Pam 2crash 软件输入现有座椅泡沫材料,进行正面模拟碰撞,得到乘员的3项伤害指标.然后,用乘员的定位参数定义,在不改变乘员初始定位H 点坐标的前提下,改变座椅座垫泡沫的材料特性,保持应变相同,分别将应力值增加至原来的2倍或者减少至原来的1/2,再次进行模拟碰撞,得到乘员的伤害指标与原来的数值进行比较.3种不同材料对乘员的伤害指标的变化规律,见图13～15.图13 I HIC 值及加速度曲线Fig.13 Curve of I HIC and acceleration59 同济大学学报(自然科学版)第32卷 图14 a 3ms 值及加速度曲线Fig.14 Curve of a 3ms andacceleration图15 腿部受力曲线Fig.15 Axial force curve of the leg 通过以上3种指标的比较,可以看出它们的最大峰值和出现的时间历程都相差无几,由此可知:若座椅泡沫材料相同,仅它的软硬程度不同,对于正面模拟碰撞中乘员的伤害程度的影响很小.其原因在于:座椅的软硬程度的改变,主要影响到了乘员在垂直方向受到的作用力,对正面碰撞过程中乘员由于惯性产生的纵向运动影响不大.图16所示的是在正面碰撞过程中,座椅受最大纵向碰撞力和乘员重力作用下的变形模拟情况.图16 70ms 时座椅变形形状Fig.16 Deform shape at 70ms4 结论采用“体-壳”结合的方法对汽车座椅进行有限元建模的研究是成功的,经试验验证和计算研究这种方法独特且有效,所建模型合理可靠.总的来说,座椅在整车运算过程中,值得注意的因素是体单元质量,提高六面体单元的比例能保证运算的稳定性;其次是材料的定义问题,应与静态试验结果尽量吻合,运算更合理.参考文献:[1] 姚卫民,孙丹丹.汽车座椅系统安全性综述[J ].汽车技术,2002,(8):5-8.[2] 高广军.有限元三维实体与壳单元的组合建模问题研究[J ].中国铁道科学,2002,23(3):52-54.[3] 龚 剑,张金换,黄世霖,等.PAM 2CRASH 碰撞模拟中主要控制参数影响的分析[J ].振动与冲击,2002,21(3):18-20.(编辑:张 弘)159 第7期王宏雁,等:汽车座椅有限元建模与计算。
汽车座椅的三维建模及模态分析
1 汽车座椅的设计参数1.1 座椅的实体模型及相应参数各种设备和工具等设计对象在适合于人的使用方面，首先涉及的问题是适合人的形态和功能范围的限度。
例如，一切操纵设备都应设在人的肢体活动所能及的范围之内，其高低位置必须与人体相应部位的高低位置相适应，而且应尽可能设在人操作方面、反应最灵活的范围之内。
所以研究人体尺寸模型—用人体模型描述人体尺度是非常有必要的。
首先其座椅实体模型如下图：图1.1座椅实物图国家标准GB 10000-88《中国成年人人体尺寸》按照人机工程学的要求提供了我国成年人人体尺寸的基础数据。
标准中共给出了7类47项人体尺寸基本数据。
人体的主要尺寸包括身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长等6项。
根据有关统计数据，我国人体基本尺寸见如下表1-1表1-1我国人体基本尺寸单位：mm尺寸名称尺寸数值尺寸名称尺寸数值男女男女并且国家标准规定了不同身高等级的成年人坐姿功能尺寸设计的基本条件、功能尺寸、关节功能活动角度、设计图和使用要求。
主要用人体模版来设计和确定坐姿条件下的座椅、工作面、支撑面、调节配件配置是的功效学要求。
进行座椅设计，不能不考虑室内特定的范围和环境。
人体关节的舒适性是进行座椅设计的主要考虑因素。
图1-2表示的是人体各关节之间的关系。
下图1-2为舒适的坐姿关节角度图1.2舒适坐姿角度图1.2 座椅设计的主要要求以及参数座椅的设计要求：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，并能调整尺寸与位置，以保证乘坐稳定、舒适，操作方便；有良好的动态特性，以缓和与衰减有车身传来的冲击和振动，保证乘员能较长时间保持坐姿而不感到疲劳。
结构紧凑，外形与色彩应美观、大方，与车身内饰相协调，并尽可能减轻房量，降低成本，有良好的结构工艺性。
座椅设计的主要参数有：座垫深度、座垫宽度、座垫高度、座垫角度、座垫与靠背的夹角、靠背宽度、靠背高度。
1、椅面高度：椅面高度应使乘员员大腿接近水平、小腿自然放置，根据经验取高度为350mm。
商用车司机座椅骨架有限元建模与优化
商用车司机座椅骨架有限元建模与优化林祖胜;兰靛靛;邓兵【期刊名称】《厦门理工学院学报》【年(卷),期】2014(22)5【摘要】A detailed finite element model of a commercial vehicle driver’s seat frame was established by taking shell element as basic unit. Loads and constraints were applied according to GB 15083—2006 and an optimum design scheme was put forward according to the results of static strength analysis. The strength of optimum seat frame was verified to improve significantly to fully meet the requirements of national standards.%为分析商用车司机座椅的安全性，基于逆向工程原理，利用Hypermesh建立以壳单元为基本单元的座椅骨架有限元模型。
根据GB 15083—2006规定施加载荷和约束，通过对座椅骨架静强度仿真分析提出结构优化方案并进行可行性试验验证。
结果表明，优化后的座椅骨架强度满足国标要求，优化效果明显。
【总页数】4页(P21-24)【作者】林祖胜;兰靛靛;邓兵【作者单位】厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建厦门361024;厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建厦门361024;厦门金龙汽车座椅有限公司，福建厦门361022【正文语种】中文【中图分类】U463.83【相关文献】1.基于对标分析的商用车司机座椅优化设计 [J], 刘伟;邓翔;王喆琼;王丽芳;陈平2.轿车司机座椅骨架侧板成型工艺分析及模具设计 [J], 李萍;姜永成;张成龙;孙忠伟;谢风伟3.某型商用车司机座椅振动特性研究与优化 [J], 陈志宁;周洪威;刘夫云;李雪梅;常青青4.轿车主副司机座椅骨架中侧板成型工艺及模具设计 [J], 曲静5.汽车司机座椅骨架的运输包装优化 [J], 黄秀玲;楼恩;李明因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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形的模拟，考察计算数据是否与实际试验结果相符． 本课题采用了Ａｎｓｙｓ软件．对单元进行定义，包
括单元类型、实常数、材料特性等．其中骨架和外包 壳单元选用Ｓｈｅｌｌ ６３号单元，泡沫体单元选用Ｓｏｌｉｄ ４５号单元，见图１０．
根据座椅通常受力情况，对座垫内固定区域加
万方数据
同济大学学报（自然科学版）
图９座椅有限元模型 Ｆｉｇ．９ ＦＥＭ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｔ
图１０ Ａｎｓｙｓ中的座椅泡沫
№．１０ Ｆｏａｍ ｎｍｔｅｔｉａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｔ ｉｎ Ａｎｓｙｓ
图１１座椅加载位置
Ｆｉｇ．１１ Ｌｏａｄ ｐｏｓｉｔｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｓｈｉｏｎ
№．１２
图１２计算结果与试验曲线对比 Ｃｕｒｖｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ
１座椅模型的建立
在整个有限元求解过程中最重要的环节是有限 元前处理模型的建立．这一般包括几何模型、网格划
分、添加约束与载荷以及定义材料等．它直接影响着 碰撞仿真的计算精度和效率．
建模的基本原则是准确性，为了保证计算精度， 模型必须能够如实反映座椅的几何特性和力学特 性．为了提高模拟计算的效率，在建模时还必须考虑 单元类型、数量和质量等因素．
ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ”．ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｏｆ ｓｅａｔ ｗｉｔｈ Ａｎｓｙｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ“ｆｏｒｃｅ—ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ’’
ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｓｅａｔ ｔｅｓｔ，ｗｅ ｅｘａｍｉｎｅ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｅａｔ ｓｏｆｔｎｅｓｓ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｊｕｒｙ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ ｉｎ ｆｒｏｎｔａｌ ｃｒａｓｈ ｉｓ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｒ ｓｅａｔ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ；ｍｏｄｅｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｔｈｅ ｃｕｓｈｉｏｎ
公用单元
图６公用节点法
Ｆｉｇ．６ Ｐｕｂｌｉｃ ｎｏｄｅｓ ｍｅｔｈｏｄ
图７杆单元连接法
ｍｅｔｈｏｄ Ｆｉｇ．７ Ｂａｒ－ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ
图８公用单元法 ｒｉｇ．８ Ｐｕｂｌｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｍｅｔｈｏｄ
刚性杆单元将对应位置的２个节点连接起来．刚性 的杆单元约束住所连接的节点，使其具有相同的自
提供的数据． １．５．２接触定义
由度，以模拟实际焊点的焊接功能，并且还可以定义 杆单元承受的轴向力极限和剪切力极限，当超过极 限力时，杆单元的约束功能消失，从而模拟焊点失 效．公用单元法则可以单独定义公用单元的材料特 性，以模拟实际焊接处的金属材料特性，同时也可定 义相应的焊接失效条件，因此，这种方法可以对焊点 实现精确的模拟，但是工作量十分巨大，不仅需要对 焊点作专门的材料试验，而且在有限元网格处理方 面也具有一定的难度．比较３种焊接模拟方法，公用
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ，Ｔｏｎｇｉｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ．ａｉｄｅｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃａｒ ｓｅａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ“ｓｈｅｌｌ ａｎｄ ｓｏｌｉｄ
座椅有限元模型的建立原则为 （１）在保证计算目的和精度的条件下，适当简 化模型． （２）合理选择单元类型，减少输入数据量和计 算时间． （３）合理控制单元大小，相应分配模型单元数． １．１壳单元的选取
收稿日期：２００４—０７—２２
作者简介：王宏雁（１９６２一），女，黑龙江哈尔滨人，工学博士，副教授．Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｈｙ－ｓｏｓ＠ｒｉｐ．ｓｉｎａ．嗍
万方数据
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同济大学学报（自然科学ｒａ）
第３２卷
壳单元的选取应从精度、效率以及对几何型面 进行离散化时的方便性和准确性加以考虑．ＨＹ— ＰＥＲＭＥＳＨ软件提供了１０３，１０４，１０６，１０８号等多种 壳单元类型，座椅骨架有限元模型通常采用三角形 （１０３号）和四边形（１０４号）壳单元．
从几何模拟角度看，采用三角形单元进行空间 型面离散化，较为灵活、方便、准确，尤其易于逼近复 杂的过渡面，在许多ＣＡＤ／ＣＡＭ软件中常常采用三 角形单元，用作基本的离散化单元，但在有限元分析 中，三角形单元的计算精度和准确度较２［２］．
ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ软件提供了２０４，２０６，２０８，２１０，
２１５，２２０等多种体单元类型，根据国外体单元建模 经验与笔者的研究结果，座垫、靠背和头枕泡沫的建 模选用六面体单元（２０８号），质量较四面体单元好， 而且计算速度快（如图２）．
图１骨架底板ＣＡＥ模型
Ｆｉｇ．１ ＣＡＥ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｐｌａｔｅ
座椅骨架部分构件是通过焊接装配的，这就涉 及到零件焊接工艺的模拟．目前，在有限元计算中对 焊接的模拟主要有杆单元连接法、公用单元法和公
用节点法等３种比较成熟的方法，如图６～８所示． 公用节点法是一种比较简单的焊接模拟方法，
即在焊点位置将所对应的２个零件的单元节点连接 起来，两单元公用同一节点，从而模拟焊点的连接功 能．杆单元连接法是指在焊点位置采用一无质量的
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第７期
王宏雁，等：汽车座椅有限元建模与计算
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图３座椅骨架 Ｆｉｇ．３ Ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｔ
公用节点
图４座垫外包壳单元
Ｆｉｇ．４
Ｓｈｅｌｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｗｒａｐｐｅｄ ｔｈｅ ｃｍｈｉｏｎ
图５座垫泡沫体单元 Ｆｉｇ．Ｓ Ｆｏａｍ ｓｏｌｉｄ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ
四边形单元具有较高的精度和准确度，可以有 效保证座椅有限元模拟计算与实车碰撞结果的一致 性，但四边形单元的计算效率比较低，需要较长机时 才能完成模拟计算．
建立座椅有限元模型时，尽量采用了四边形单 元，尤其是对于座垫、靠背、底座骨架等关键受力部 位，全部采用四边形单元划分网格；个别尺寸、形状 变化较大的区域，如座椅侧两表面相交处，采用了少 量三角形单元．三角单元的比例控制在占总单元数 的１０％以下（如图１）． １．２体单元的选取
应用Ｐａｍ—ｃｒａｓｈ软件输入现有座椅泡沫材料， 进行正面模拟碰撞，得到乘员的３项伤害指标．然 后，用乘员的定位参数定义，在不改变乘员初始定位 Ｈ点坐标的前提下，改变座椅座垫泡沫的材料特 性，保持应变相同，分别将应力值增加至原来的２倍 或者减少至原来的１／２，再次进行模拟碰撞，得到乘 员的伤害指标与原来的数值进行比较．３种不同材 料对乘员的伤害指标的变化规律，见图１３～１５．
人体模型与座椅的接触采用“面对面”方式，即 利用软件提供的３３号ｓｕｒｆａｃｅ／ｓｕｒｆａｃｅ接触，对假人 臀部和座垫上表面之间的接触、假人背部和靠背内 侧表面之间的接触作定义．座椅泡沫自接触（ｓｅａｔ— ｓｅｌｆ）采用边缘处理自接触方式，即软件所提供的３６ 号（ｓｅｌｆ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｅｄｇｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）接触．
２∞ Ｏ∞ ８∞ ６∞ 一，∞．吕）／ｑ ４∞ ２∞
Ｏ
Ｏ．０１５ ０．０３０ ０．０４５ ０．０６０
０．０７５ ０．０９０ ｔ／ｓ
０．１０５
０．１２０ ０．１３５ ０．１５０
图１３ ＩＩ舵值及加速度曲线 Ｆｉｇ．１３ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ Ｉｍｃ ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ
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第７期
王宏雁，等：汽车座椅有限元建模与计算
关键词：汽车座椅；有限元；建模；计算
中图分类号：Ｕ ２７０．２
文献标识码：Ａ
文章编号：０２５３—３７４Ｘ（２００４）０７—０９４７一０５
Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｅａｔｓ
ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ－ｙａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｄａｎ
图２座椅头枕ＣＡＥ模型 Ｆｉｇ．２ ＣＡＥ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｈｅａｄｒｅｓｔ １．３单元质量的控制 根据经验和计算精度的要求，确定控制单元质 量原则，见表１．
表１单元质量原则 Ｔａｂ．１ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｅｌｅｍｅｎｔ ｑｕａｌｉｔｙ
座椅有限元模型如图的验证
单元法虽然最精确，但工作量过于巨大，而且相应的 试验会大大增加研究的时间和费用，对本课题而言 不适合；公用节点法精度次之，相对也较为简单，零 件模型之间吻合精度较高，因公用节点产生的单元 翘曲问题比较少，所以在座椅各部分连接时选用了 这种方法． １．５计算模型的定义
通过网格划分和结构连接，将整个座椅离散为 ４ ０７９个壳单元，２ ９５５个体单元，建立了完善的座 椅Ｑ嗵模型（见图９）．由于座椅ＣＡＥ模型是经一 些简化后得到的，简化过程是否合理，各部分连接是 否恰当，尤其是材料的定义是否准确，直接关系到后 期碰撞模拟的真实性和可靠性．所以，必须对座椅 ＣＡＥ模型进行静态计算验证．
汽车座椅不仅要能够支撑乘员身体的重量，减 轻乘员的疲劳以满足主动安全性要求，还要求能与 安全带和安全气囊匹配，对乘员定位，缓解碰撞的强 度，使乘员的损伤指标达到最小，以满足被动安全性 要求…１．在汽车碰撞安全性模拟分析过程中，乘员 约束系统的作用不可忽视，所以作为系统因素之一 的汽车座椅的建模方法以及它对碰撞模拟分析精度 的影响值得探讨．
本课题选用了ＰＡＭ．ＣＲＡＳＨ软件进行模拟碰 撞分析，所以在它的前处理软件中建立座椅的计算
厂方提供了座椅的加载与变形试验曲线，因此， 模型静态计算验证实际就是利用软件进行加载与变
模型． １．５．１材料参数选择
座垫泡沫选用２１号材料（ｅｌａｓｔｉｃ ｆｏａｍ ｗｉｔｈ ｈｙｓ． ｔｅｒｅｓｉｓ）；座椅外包层选用１０３号材料（ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｅｌａｓ． ｔｉｃｐｌａｓｔｉｃ）；座椅骨架壳单元采用１００号材料（ｎｕｌｌ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｓｈｅｌｌ ｅｌｅｍｅｎｔ），具体参数参考国外公司