座椅骨架靜態(tài)特性仿真的有限元模型分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u18544座椅骨架靜態(tài)特性仿真的有限元模型分析案例 167411.1有限元理論簡(jiǎn)介 15831.1.1有限元法 199891.1.2有限元法在座椅骨架上的應(yīng)用 27011.2座椅有限元模型建立的一般過程 2140321.3座椅有限元模型的建立 358911.3.1座椅幾何模型的簡(jiǎn)化 3305171.3.31座椅幾何模型的離散化 4164331.3.2連接關(guān)系的簡(jiǎn)化 894011.3.3邊界條件的確定 9建立座椅骨架的有限元模型是座椅靜強(qiáng)度特性仿真分析的基礎(chǔ)工作。座椅骨架的有限元模型的建立應(yīng)根據(jù)所研究問題的具體情況和要求，選擇合適的單元并以實(shí)際產(chǎn)品使用的材料定義其材料和屬性，將座椅骨架結(jié)構(gòu)離散化，依據(jù)實(shí)際安裝的方式構(gòu)建約束條件，簡(jiǎn)化連接關(guān)系，劃分和優(yōu)化網(wǎng)格，最后確定一個(gè)精度合理以進(jìn)行仿真模擬的座椅骨架模型。1.1有限元理論簡(jiǎn)介1.1.1有限元法有限元法（FiniteElementMethod）是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計(jì)算方法。1960年，克拉夫（Clough）在他的一篇論文“平面分析的有限元法（TheFiniteElementMethodinPlaneStressAnalysis）”中最先引入了有限元（FiniteElement）這一術(shù)語。這一方法是結(jié)構(gòu)分析專家把桿件結(jié)構(gòu)力學(xué)中的位移法推廣到求解連續(xù)體介質(zhì)力學(xué)問題（當(dāng)時(shí)是解決飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析）而提出來的。這一方法的提出，引起廣泛的關(guān)注，吸引了眾多力學(xué)，數(shù)學(xué)方面的專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究。有限元法之所以能在1960年立刻獲得成功，一是Clough從結(jié)構(gòu)力學(xué)方法推導(dǎo)的剛度矩陣易于為廣大工程師接受，而有限元法最初也被稱為矩陣近似方法；二是在于這個(gè)方法所包含的大量數(shù)值運(yùn)算，而這可以由新發(fā)展起來的數(shù)字計(jì)算機(jī)來完成。在20世紀(jì)70，80年代，許多學(xué)者研究和推導(dǎo)出了許多精確，更高效的單元，在單元形狀，單元節(jié)點(diǎn)和插值函的類型等方面都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。20世紀(jì)70年代，等參元的提出為研發(fā)出新的單元開辟了新的途徑，推動(dòng)了有限元的發(fā)展。經(jīng)過近幾十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是在現(xiàn)代航天工程、機(jī)械工程、車輛工程中體現(xiàn)出其強(qiáng)大的功能，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。1.1.2有限元法在座椅骨架上的應(yīng)用從受力特征上來看，汽車座椅一般而言屬于桿結(jié)構(gòu)，骨架既承受行駛所帶來的彎曲應(yīng)力，也負(fù)責(zé)平衡部分扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。將有限元法應(yīng)用于此類復(fù)雜工況的計(jì)算上，一定程度上能夠減少工作量并提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。在早期，汽車座椅骨架大多是使用管件連接而成的，受當(dāng)時(shí)的水平限制，那時(shí)的座椅模型多采用的是空間梁?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)，模型本身也較為簡(jiǎn)單，節(jié)點(diǎn)及單元數(shù)量較少，仿真模擬的精度不高，結(jié)果也不夠準(zhǔn)確。隨著設(shè)計(jì)及工藝技術(shù)水平的提升，原來的梁?jiǎn)卧Ｐ驮桨l(fā)難以達(dá)到研究的要求和目標(biāo)，研究人員因此對(duì)分析軟件的進(jìn)行了全方位的升級(jí)和開發(fā)，于是擁有殼單元、實(shí)體單元和一些其他強(qiáng)大功能的有限元分析軟件(HyperMesh、ABAQUS、ANSYS等)應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)了座椅的精確分析與輔助設(shè)計(jì)。90年代以后，研究人員不再僅僅以最初采用的實(shí)物碰撞方法來研究汽車的安全性能，而是以仿真技術(shù)結(jié)合試驗(yàn)確定。采用有限元法輔助分析，在設(shè)計(jì)初期就能得到大部分座椅的相關(guān)特性，并且分析結(jié)果對(duì)比真實(shí)實(shí)驗(yàn)的一致性也越來越高。1.2座椅有限元模型建立的一般過程建立座椅有限元分析模型的一般過程包含以下幾個(gè)步驟：根據(jù)真實(shí)產(chǎn)品幾何數(shù)據(jù)建立座椅的幾何模型；選擇用于模擬座椅骨架各種結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系的有限元單元；將座椅結(jié)構(gòu)離散化，進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分；輸入單元的材料和屬性；根據(jù)所分析問題確定邊界條件；調(diào)整優(yōu)化網(wǎng)格，建立最終的仿真模型。在建立座椅有限元模型的過程中，要根據(jù)座椅模型的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、仿真分析的目標(biāo)和實(shí)際問題，綜合考慮計(jì)算時(shí)間和精度建立模型。1.1.1有限元模型的建立原則根據(jù)計(jì)算精度、速度以及對(duì)硬件的要求的不同，座椅結(jié)構(gòu)模型通常可分為兩種:簡(jiǎn)化模型和詳細(xì)模型。座椅簡(jiǎn)化模型通常為理想的桁架結(jié)構(gòu)，然后被分解為細(xì)化的單元，得到的模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)點(diǎn)和單元數(shù)量較少，與之相對(duì)計(jì)算速度快，但是精度較差，一般情況下僅用于座椅的剛度分析，如果在求解結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度問題時(shí)采用簡(jiǎn)化模型，結(jié)果往往與真實(shí)實(shí)驗(yàn)有較大偏差。在詳細(xì)模型中，座椅結(jié)構(gòu)模型在計(jì)算座椅在一定載荷作用下的應(yīng)力值時(shí)所得到的結(jié)果一般較為準(zhǔn)確，但由于結(jié)點(diǎn)和單元數(shù)量較多，計(jì)算時(shí)間較簡(jiǎn)化模型大大增加，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求也相應(yīng)較高。由于本課題所要求解的問題是座椅的靜強(qiáng)度特性，我們決定建立其詳細(xì)模型以進(jìn)行計(jì)算分析。1.3座椅有限元模型的建立1.3.1座椅幾何模型的簡(jiǎn)化進(jìn)行座椅有限元仿真模擬分析的第一步就是建立座椅幾何模型，可以使用專業(yè)CAD軟件建模，如UG、CATIA等常用軟件，也可以直接在CAE軟件中的CAD模塊中直接進(jìn)行相關(guān)操作，如Abaqus。由于CAE軟件中的CAD模塊與專業(yè)的CAD軟件相比，建模的功能和精度都存在一定的差距且操作復(fù)雜，因此在面對(duì)復(fù)雜問題的建模時(shí)，最好使用專業(yè)CAD軟件建模。本次仿真分析的研究對(duì)象為一款駕駛座座椅，該座椅的初始幾何模型由座椅供應(yīng)商直接給出，因此僅需要在CATIA軟件中導(dǎo)入該座椅幾何模型并進(jìn)行模型的修復(fù)和結(jié)構(gòu)的剖析。汽車座椅通常是由上百個(gè)零件組裝而成的，對(duì)其模擬分析的時(shí)候不必建立所有零部件的有限元模型，因此要求我們?cè)趲缀文Ｐ碗A段就要對(duì)座椅模型有深刻的理解和認(rèn)識(shí)，根據(jù)零件對(duì)座椅強(qiáng)度影響程度的不同進(jìn)行篩選，以達(dá)到合理簡(jiǎn)化的目的，減少計(jì)算時(shí)間，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。通常對(duì)座椅幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化可依據(jù)以下兩個(gè)原則:1.零件對(duì)分析目標(biāo)的貢獻(xiàn)在汽車座椅靜態(tài)特性仿真模擬分析中，骨架作為主要的受力部件承擔(dān)絕大部分的外部載荷，軟墊和蒙皮等幾乎只起到提高舒適性作用的部件基本上不分配外部施加的較大靜載荷，因此將對(duì)座椅強(qiáng)度貢獻(xiàn)極小的座椅蒙皮和坐墊發(fā)泡均略去。1.計(jì)算時(shí)間和精度一般而言，越精細(xì)的有限元模型，計(jì)算所得的結(jié)果準(zhǔn)確度就越高，但相應(yīng)地，網(wǎng)格尺寸就越小，數(shù)量越多，計(jì)算時(shí)間因此也就越長(zhǎng)。為了保證仿真分析的結(jié)果真實(shí)可靠，我們盡可能地保留了模型的力學(xué)結(jié)構(gòu)特征，考慮到計(jì)算時(shí)間在后面進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)未采用較小的網(wǎng)格尺寸，為了保證結(jié)果正確，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的網(wǎng)格優(yōu)化工作。綜上所述，將座椅幾何模型簡(jiǎn)化并導(dǎo)入Hypermesh軟件中，簡(jiǎn)化后幾何模型如圖2-1所示。2-1汽車座椅幾何模型的簡(jiǎn)化1.3.31座椅幾何模型的離散化HyperMesh軟件簡(jiǎn)介HyperMesh軟件是美國(guó)Altair公司的產(chǎn)品，是世界領(lǐng)先的、功能強(qiáng)大的CAE應(yīng)用軟件包，也是一個(gè)創(chuàng)新、開放的企業(yè)級(jí)CAE平臺(tái)，它集成了設(shè)計(jì)與分析所需的各種工具。在CAE工程技術(shù)領(lǐng)域,，HyperMesh最著名的特點(diǎn)是它所具有的強(qiáng)大的有限元網(wǎng)格劃分前處理功能。一般來說，CAE分析工程師80%的時(shí)間都花費(fèi)在了有限元模型的建立，修改和網(wǎng)格劃分上，而真正的分析求解時(shí)間是消耗在計(jì)算機(jī)工組站上，所以采用一個(gè)功能強(qiáng)大，使用方便靈活，并能夠與眾多CAD系統(tǒng)和有限元求解器進(jìn)行方便的數(shù)據(jù)交換的有限元前后處理工具，對(duì)于提高有限元分析工作的質(zhì)量和效率具有十分重要的意義。HyperMesh作為一個(gè)高性能的有限元前后處理器，它能讓CAE分析工程師在高度交互及可視化的環(huán)境下進(jìn)行仿真分析工作。HyperMesh主要用于有限元模型的前后處理，通常，我們只利用HyperMesh完成幾何模型的處理，網(wǎng)格的劃分、單元類型及屬性指定、材料屬性創(chuàng)建及賦予，相關(guān)集合的創(chuàng)建等，接觸定義和荷載等通常在所選用的有限元分析軟件中完成，為了方便后續(xù)工作，相關(guān)的集合可提前在HyperMesh中完成創(chuàng)建。座椅骨架幾何清理簡(jiǎn)化的幾何模型在導(dǎo)入HyperMesh之后并不能直接用于建立有限元模型，此時(shí)還需要對(duì)模型進(jìn)行幾何清理。清理時(shí)應(yīng)做到以下幾點(diǎn):1.對(duì)導(dǎo)入幾何模型的曲面數(shù)據(jù)后出現(xiàn)的曲面丟失、邊界錯(cuò)位、結(jié)點(diǎn)重合和曲線重疊等缺陷進(jìn)行修復(fù)，保證后面網(wǎng)格劃分不受影響，進(jìn)而保證有限元模型有良好的單元質(zhì)量和求解精度。1.消除模型中不必要的細(xì)節(jié)特征。CAD模型中包含一些對(duì)整體工況影響很小但對(duì)網(wǎng)格劃分工作非常不利的細(xì)微特征，比如倒角、小孔等，在進(jìn)行仿真分析時(shí)如果完整地模擬這些特征，將需要利用很多小單元進(jìn)行劃分并使網(wǎng)格質(zhì)量大大降低，求解時(shí)間不必要的加長(zhǎng)，因此我們對(duì)坐盆框架正面及中承側(cè)板上一些小于5mm的工藝孔進(jìn)行了修補(bǔ)。處理的座椅模型如圖2-2所示。2-2幾何清理后的座椅模型網(wǎng)格劃分網(wǎng)格的劃分作為建立有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，劃分質(zhì)量的好壞直接決定了之后的計(jì)算時(shí)間和精度，因此對(duì)網(wǎng)格的劃分與修改占整體工作量最大的一部分。網(wǎng)格應(yīng)該滿足以下要求：合法性：一個(gè)單元的結(jié)點(diǎn)不能落入其他單元的內(nèi)部，在單元邊界上的結(jié)點(diǎn)均應(yīng)作為單元的結(jié)點(diǎn)。相容性：?jiǎn)卧仨毬湓陔x散區(qū)域內(nèi)部，且單元并集等于離散區(qū)域。逼近精確性：待分區(qū)域的頂點(diǎn)（包括特殊點(diǎn)）必須是單元的結(jié)點(diǎn)，待分區(qū)域的邊界邊（包括特殊邊及面）被單元邊界所逼近。良好的單元形狀：?jiǎn)卧罴研螤钍钦噙呅位蛘嗝骟w。良好的剖分過渡性：?jiǎn)卧g過渡應(yīng)相對(duì)柔和，否則，將影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性甚至使有限元計(jì)算無法進(jìn)行下去。網(wǎng)格剖分的自適應(yīng)性：在幾何尖角處、應(yīng)力溫度等變化大處網(wǎng)格應(yīng)密集，其他部位應(yīng)較稀疏，這樣可保證計(jì)算精確可靠[5]。具體步驟如下：選擇單元類型劃分網(wǎng)格之前要根據(jù)目標(biāo)和實(shí)際情況進(jìn)行分析以選擇最合適的單元類型。對(duì)于本次仿真分析的座椅，雖有部分零件為為壓鑄成型，整體來看還是類似于鋼板沖壓結(jié)構(gòu)，然后通過焊接和螺栓連接連接在一起承受大部分載荷。針對(duì)座椅的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，參考汽車車身結(jié)構(gòu)件有限元模擬分析和前人的經(jīng)驗(yàn)，在座椅模擬分析時(shí)將座椅簡(jiǎn)化為殼單元（shellsection）和實(shí)體單元組合而成的有限元模型。所謂殼體，是指兩個(gè)曲面間所包含的空間物體。殼體的厚度就是兩曲面間垂直距離。厚度遠(yuǎn)小于殼體中面最小曲率半徑的殼體，稱為薄殼，厚度為常量的殼體稱為等厚度殼體[5]。該座椅骨架中大部分結(jié)構(gòu)件的厚度為1mm－3mm的沖壓鋼板，可看成殼體。殼體的變形分為彎曲變形和中面變形兩種。因此，用有限單元方法分析殼體結(jié)構(gòu)一般使用兩種方法：一種是用板元組成的折板來代替單曲或雙曲的殼體，由平面應(yīng)力狀態(tài)和板的彎曲狀態(tài)兩者組合得到薄板的應(yīng)力狀態(tài)；另一種方法是根據(jù)殼體理論建立曲面單元。相較之下，第一種方法由于計(jì)算格式簡(jiǎn)單且效果比較好，被工程界廣泛使用。由于座椅骨架主要承受彎矩和平面內(nèi)的力，采用殼單元模擬能夠反映出結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)應(yīng)力狀況，所以在該座椅骨架有限元模型中，使用shell單元來模擬骨架結(jié)構(gòu)中的薄板沖壓件。模型中使用的殼單元主要是三結(jié)點(diǎn)的三角形單元和四結(jié)點(diǎn)的矩形單元。通常三角形單元和矩形單元的結(jié)點(diǎn)選在各單元的角點(diǎn)處，使各單元只在角點(diǎn)處相連接，且結(jié)點(diǎn)是剛結(jié)點(diǎn)，即在相鄰單元之間通過結(jié)點(diǎn)不但可以傳遞力，還可以傳遞力矩。三角形單元能夠較好地模擬任意邊界形狀的板，而對(duì)于結(jié)構(gòu)外形比較規(guī)則的板，使用四邊形單元更為合理。因此，建模時(shí)主要使用四邊形單元，對(duì)于形狀較復(fù)雜的部分采用三角形單元加以過渡。網(wǎng)格的質(zhì)量決定了網(wǎng)格形狀的合理性，模型的網(wǎng)格設(shè)置合理，最后才能夠得到良好且更接近真實(shí)情況的計(jì)算結(jié)果。網(wǎng)格質(zhì)量包括單元的大小尺寸、翹曲度、斜度、扭曲角、雅克比值等。網(wǎng)格的質(zhì)量要求如下:表2-1網(wǎng)格質(zhì)量要求劃分單元綜合考慮后期計(jì)算時(shí)間以及前人的經(jīng)驗(yàn)，確定本次分析的座椅骨架網(wǎng)格大小為4-8mm，由于座椅骨架的大部分零件為沖壓件，少部分為桿結(jié)構(gòu)，因此抽取中面獲得需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格的shell單元。由于座椅結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，很多結(jié)構(gòu)件上都有一些安裝孔和減重孔，為了加強(qiáng)零件的剛度，一些結(jié)構(gòu)件上還有許多形狀不規(guī)則的加強(qiáng)筋和翻邊等，這些都使網(wǎng)格的質(zhì)量不能完全達(dá)到完全合格。在HyperMesh軟件中將各個(gè)零件自動(dòng)生成網(wǎng)格之后，必須對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行大量的調(diào)整和優(yōu)化工作。此時(shí)可用軟件中的qualityindex子面板檢查網(wǎng)格質(zhì)量，通過start查找網(wǎng)格失效處并進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。定義單元材料和屬性將座椅骨架的單元?jiǎng)澐滞戤呉院?，還要進(jìn)行單元的材料和屬性定義。材料特性根據(jù)座椅骨架實(shí)際使用的材料設(shè)定，在Hypermesh中我們需要輸入材料的厚度，密度，泊松比和彈性模量等。本文的研究對(duì)象為汽車座椅骨架，主要材料為鋼鐵，類型為一種彈塑性材料MATL24，不考慮泡沫材料和塑料等材料。由于座椅的不同位置受力情況也不盡相同，所以不同部位使用的鋼材也不同。表列出了該座椅所用的材料及其相關(guān)物理特性。表2-2材料基本參數(shù)1.3.2連接關(guān)系的簡(jiǎn)化汽車座椅骨架中主要有三種連接方式:焊接、螺栓連接和銷連接。對(duì)汽車座椅骨架結(jié)構(gòu)做靜強(qiáng)度分析時(shí)，對(duì)連接關(guān)系進(jìn)行模擬并不是很突出的問題，因此可以作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。焊接方式的模擬和簡(jiǎn)化一般來說，在汽車座椅骨架中有點(diǎn)焊、縫焊等幾種焊接形式，包含板和板連接以及板和鋼管連接這兩種連接形式。在HyperMesh里建模時(shí)用來的模擬焊接方法有兩種:一種是用剛性單元(rigid單元)將被連接件處于焊縫區(qū)域的結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)相連;另一種方法是用柔性單元(如rod單元、weld單元、bar單元等)模擬連接。剛性單元模擬焊接方法的特點(diǎn)是剛性單元在加載時(shí)不吸收能量，它將能量完全轉(zhuǎn)移給被連接件。這種模擬方法使得連接本身永遠(yuǎn)不會(huì)破壞即連接永不失效，但如果兩個(gè)連接件強(qiáng)度