某汽車座椅骨架的模態(tài)分析

李玉光，趙旭陽，王淑芬，饒 博

（大連大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

某汽車座椅骨架的模態(tài)分析

李玉光，趙旭陽，王淑芬，饒 博

（大連大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

汽車座椅骨架的固有頻率和振型是其動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)中的重要參考指標(biāo)，本文利用三維建模軟件Proe建立某汽車座椅骨架三維模型，基于有限元分析軟件Workbench對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，得到其前十階固有頻率值和振型，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。

汽車座椅骨架；有限元；模態(tài)分析；共振

汽車座椅是汽車內(nèi)飾的重要組成部分，也是人體直接與車身相連接的重要部件，它直接影響乘坐的舒適性和安全性，其中汽車座椅骨架是汽車座椅的主要承載結(jié)構(gòu)，對(duì)汽車座椅的性能有著重要的影響。

對(duì)汽車座椅骨架的模態(tài)分析可以預(yù)測(cè)座椅與乘坐者之間發(fā)生動(dòng)態(tài)干擾的可能性，通過整車的動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化，可以延緩汽車座椅骨架的疲勞破壞，降低振動(dòng)噪聲等，解決了通常靜態(tài)分析難以解決的問題[1-2]。

在實(shí)際應(yīng)用中常常用仿真軟件來替代實(shí)驗(yàn)，這不僅可以節(jié)約大量的研發(fā)和實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，還能縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期[3]。同時(shí)隨著Workbench的應(yīng)用越來越廣泛，需要處理的模型也更加繁瑣復(fù)雜其自身的建模功能有許多不足之處，而Proe可以建立非常復(fù)雜的三維實(shí)體模型，具有強(qiáng)大的參數(shù)化建模能力，因此本文利用三維建模軟件Proe和有限元軟件Workbench聯(lián)合仿真分析。

1 汽車座椅骨架有限元模型的建立

在建立幾何模型時(shí)應(yīng)該盡量精確，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，但汽車座椅骨架通常會(huì)由上百個(gè)零件組成，如對(duì)所有零件建模，建模所用的時(shí)間與計(jì)算量都會(huì)增加，因此本文在不影響仿真精度的前提下，對(duì)汽車座椅骨架的主要支撐部件進(jìn)行精確建模與定位，其它部件進(jìn)行簡(jiǎn)單建模或忽略。

利用三維建模軟件Proe建立某汽車座椅骨架模型，模型主要分為三個(gè)部分：靠背骨架、座墊骨架和調(diào)角器。靠背骨架主要部件包括：靠背骨架鋼管、靠背連接板、靠背加強(qiáng)板。座墊骨架主要包括：座盆、座墊骨架鋼管和座墊連接板。其中靠背骨架的高為520 mm，寬為500 mm，座墊骨架的長(zhǎng)和寬都為480 mm。靠背骨架鋼管與座墊骨架鋼管材料均為 Q235鋼，靠背連接板與座墊連接板等部件的材料為冷軋鋼St12。材料參數(shù)如表1所示。

將建立好的三維幾何零件模型進(jìn)行裝配后，通過Workbench中內(nèi)置接口，導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類型以Soild186單元 為主。Soild186單元是高階20節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，它具有二次位移模式，可以更好的模擬不規(guī)則的幾何形狀，使仿真更加精確。汽車座椅骨架共劃分總結(jié)點(diǎn)數(shù)為 133115，單元總數(shù)為61418。汽車座椅骨架的有限元模型如圖1所示。

圖1 汽車座椅骨架的有限元模型

表1 材料參數(shù)

2 汽車座椅骨架的模態(tài)分析

模態(tài)分析是工程計(jì)算中的常用工具，常被用來分析給定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，它的本質(zhì)是將物理模型轉(zhuǎn)化為模態(tài)模型。模態(tài)分析需要已知結(jié)構(gòu)的材料特征、幾何形狀和邊界條件，將結(jié)構(gòu)的剛度分布、質(zhì)量分布和阻尼分布，分別用剛度矩陣、質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣表示出來，通過這些信息來獲取系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)[4]。

根據(jù)實(shí)際情況將汽車座椅骨架底部的固定板進(jìn)行約束，在 Workbench中的約束類型中選擇“Fixed Support”。在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，一般不需要求出結(jié)構(gòu)的所有固有頻率和振型，本文提取汽車座椅骨架的前十階固有頻率值和振型。汽車座椅骨架的前十階模態(tài)振型如圖2所示，固有頻率值如表2所示。

圖2 汽車座椅骨架的前十階模態(tài)振型

表2 汽車座椅骨架的前十階固有頻率值

從模態(tài)分析的結(jié)果可以看出，汽車座椅骨架的振型主要表現(xiàn)為彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。其中1階振型為靠背骨架整體、調(diào)角器局部和座墊骨架中前部的扭轉(zhuǎn)變形，最大相對(duì)變形位于靠背骨架鋼管上端中部。2階振型為汽車座椅骨架整體的扭轉(zhuǎn)變形，最大相對(duì)變形位于座墊骨架前部。3階與4階振型為靠背骨架、調(diào)角器局部和座墊骨架局部的彎曲變形，最大相對(duì)變形均位于靠背骨架鋼管上端角處。5階與6階振型為靠背骨架、調(diào)角器和座墊骨架局部的彎曲變形，最大相對(duì)變形均位于靠背加強(qiáng)板中部。7階振型為靠背骨架與調(diào)角器的彎曲與側(cè)擺變形和座墊骨架局部彎曲的復(fù)合變形，最大相對(duì)變形位于靠背骨架鋼管上端角處。8階振型為靠背骨架，調(diào)角器和座墊骨架前部的彎扭復(fù)合變形，最大相對(duì)變形位于座墊骨架鋼管的上端中部。9階振型為靠背骨架的彎扭復(fù)合變形，最大相對(duì)變形位于靠背加強(qiáng)板中部。10階振型為靠背骨架、調(diào)角器和座墊骨架局部的彎扭復(fù)合變形，最大相對(duì)變形位于靠背骨架鋼管上端中部。

人體各部分器官的共振頻率：眼為20～25 Hz、胸部為 4～6 Hz、手臂為 10～20 Hz、肩部為 2～6 Hz、軀干為 3～6 Hz、脊柱為 3～5 Hz、胃為 4～5 Hz[5]。如果人體部分器官出現(xiàn)共振現(xiàn)象，將會(huì)引起相應(yīng)的生理變化，對(duì)人體的健康產(chǎn)生不利的影響。從表2頻率值可以看出，汽車座椅骨架的1階固有頻率值與人體的眼部和手臂的共振頻率值相近，所以如座椅骨架在此頻率下發(fā)生共振可能會(huì)引起乘坐者不舒適的感覺。

汽車其他各部分部件的固有頻率值也應(yīng)該避免出現(xiàn)在汽車座椅骨架的固有頻率值附近，防止可能由共振引起的結(jié)構(gòu)破壞。

3 結(jié)論

本文利用 Workbench對(duì)汽車座椅骨架進(jìn)行模態(tài)分析，得到了其固有頻率值和振型，對(duì)振型進(jìn)行了描述，并將固有頻率值與人體各部分器官的共振頻率相比較，為汽車座椅骨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和整車的動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇金英, 周炬. 某特裝車汽車座椅的模態(tài)分析[J]. 裝備制造技術(shù), 2011(10)∶ 60-61, 85.

[2]李衛(wèi)民, 王月婷, 孫嵩楠. 基于ANSYS的JL466型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)應(yīng)力下的模態(tài)分析[J]. 拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車, 2014,41(2)∶ 30-33.

[3]關(guān)長(zhǎng)明. 白車身模態(tài)分析[D]. 合肥∶ 合肥工業(yè)大學(xué), 2008.

[4]王勖成. 有限單元法[M]. 北京∶ 清華大學(xué)出版社, 2003.

[5]黃斌, 蔣祖華, 嚴(yán)雋琪. 汽車座椅系統(tǒng)動(dòng)態(tài)舒適性的研究綜述[J]. 汽車科技, 2001(6)∶ 13-16.

Modal Analysis of an Automotive Seat Frame

LI Yu-guang, ZHAO Xu-yang, WANG Shu-fen, RAO Bo
(College of Mechanical Engineering, Dalian University, Dalian 116622, China)

The natural frequencies and mode shapes of an automotive seat frame are an important reference index of its dynamic design. Its three-dimensional modal is established by Proe software. The previous ten natural frequencies and mode shapes are got based on Workbench and the results are analyzed.

∶automotive seat frame; finite element; modal analysis; resonance

TH122

A

1008-2395(2015)06-0021-04

2015-10-21

李玉光（1963-），男，教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。