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。

另一方面，每一款新的汽车座椅都需要通过物理实验的测试以达到各个方面安全性能的要求，只有这样才能保证汽车座椅在投入市场之后的安全性。

但做物理实验需要具备先进的设备、功能齐全的实验室，同时还需要生产大批量的样件，这些无疑加大了产品开发的成本和风险，延长了新产品的开发周期，而有限元分析通过合理的模拟，可以在物理实验进行之前给出一个定性的结论，从而大大提高了物理实验的成功率。

ABAQUS在汽车座椅塑料件有限元分析的应用
本研究选用HYPER WORKS作为前后处理工具，ABAQUS求解器对汽车座椅塑料件进行有限元分析。

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，具有强大的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。

在CAE领域，HYPERMESH最著名的特点是它所具有的强大的有限元网格前处理和后处理功能。

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和修改上，而真正的分析求解时间是消耗在计算机工作站上的。

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。

同时HYPERMESH支持很多不同的求解器输入输出格式，这样在利用HYPERMESH划分好模型的有限元网格后，可以直接把计算模型转化成不同的求解器文件格式。

ABAQUS是国际上最先进的大型通用非线性有限元分析软件之一，它是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，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。

ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。

并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料等。

作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构（应力/位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析及压电介质分析。

ABAQUS被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。

ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。

由于ABAQUS优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得ABAQUS被各国的工业和研究中所广泛的采用。

ABAQUS有两个主求解器模块：ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。

图2 带塑料档板的座椅
本文以某汽车座椅的塑料档板件为例（见图2），结合HYPER WORKS软件、ABAQUS/Standard求解器对其进行相关性能的有限元分析，并与物理实验进行对比，进一步阐述本研究的准确性和可行性。

此塑料件实验要求：零件在承受200N载荷下不破坏，位移不能超过20mm。

本研究沿用通用有限元分析，具体步骤如图3所示。

在HYPERMESH前处理环节中，先将CAD数模以IGS或STEP文件格式导入HYPERMESH软件中开始建模。

在建模环节中，对CAD的几何体进行适当的清理，随后按照几何体的形状，用壳体和固体单元形式把数模表述出来，然后对每一个零件赋予材料和厚度。

此塑料件的材料参数如表1所示。

表1 塑料件材料参数
通过HYPERMESH中的CONSTRAINS菜单对模型进行边界条件的约束，通过LOAD STEPS菜单对模型进行载荷的加载，主要包括每一加载步骤的输出参数，如监视点的位移，所有单元的应力，应变等等，如图4所示。

最后一步，导出适用于求解器求解格式的文件。

图4
在ABAQUS求解器求解环节中，将把HYPERMESH中导出的以.K或.INP结尾的运算文件，放在运算文件夹中，然后打开ABAQUS求解器前台求解界面（DOS窗口），输入命令：ABAQUS JOB=文件名.K，然后回车就可以进行计算了。

经过ABAQUS求解器求解，将生成的.fil文件转化成.res文件，在HYPERVIEW中读取。

发现在200N载荷下，最大应力为31.13Mpa，与表1的材料属性对比发现已经接近材料破坏应力值，变形比较大，如图5所示。

图5
塑料件的最大应变值为15.63%，已经超过了极限应变15.4%。

根据经验，可以推断这个塑料件的局部区域已经破坏，没有达到预期的设计要求，如图6所示。

图6
物理试验表明在施加200N的载荷下，塑料件已经破坏，且破坏区域与有限元分析结果非常吻合，如图7所示。

另外几个相关的物理实验，是分别对塑料件的同一个区域施加50N 和100N的载荷并测量施力点的位移量，然后用有限元进行模拟，结果发现两者的结果非常的接近，具体数据如表2所示。

表2 物理试验与有限元结果对比表
结束语
通过ABAQUS软件对汽车座椅塑料件进行有限元分析，可以模拟接近真实的环境，并得到接近物理实验的结果，对零件的设计和改进有着非常重要的参考价值和指导意义，为物理实验的成功提供了有力的保障。

为此，通过以往的经验可以总结出一些对ABAQUS求解结果影响比较大的因素，主要包括塑料件的材料属性、模型的边界条件（约束）、加力点的位置及加力区域、模拟结构的合理性等。

进行环境模拟时，应充分考虑以上因素，从而使有限元分析得到的结果更加真实、准确。

(end)。