汽車坐墊骨架分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u19446汽車坐墊骨架分析案例 1197391.1有限元分析軟件ANSYSWorkbench介紹 1206351.2有限元分析基本原理 2276481.3有限元分析建立的原則 3143581.4汽車坐墊骨架有限元模型的建立 323531.1.1材料屬性 313371.1.2網(wǎng)格劃分 4217021.1.3約束及施加載荷 497581.5不同重量對座椅骨架的影響 544301.5.1重量為600N產(chǎn)生的影響 552601.5.2重量為1000N產(chǎn)生的影響 5217831.5.3重量為1500N產(chǎn)生的影響 51.1有限元分析軟件ANSYSWorkbench介紹目前在市面上的分析模型的軟件有很多，其中ANSYS軟件就是被使用最多最廣的，同時ANSYS這個軟件功能齊全且由于其漫長的發(fā)展歷史導致版本眾多，到目前為止，版本更新到ANSYS2021R1，其中就有本文所用軟件ANSYSWorkbench[29]。在打開ANSYSWorkbench這個軟件后，發(fā)現(xiàn)其模塊眾多，同時我們主要用到的功能在Toolbox中，如圖4-1所示：圖4-1ToolboxAnalysisSystems：是ANSYSWorkbench這款軟件中的分析系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)它擁有一套完全且詳細的分析系統(tǒng)，它還與ComponentSystems系統(tǒng)有著緊密連接。ComponentSystems:這是ANSYSWorkbench軟件中的組件系統(tǒng)，這個系統(tǒng)所包含的單元模塊正好是AnalysisSystems這個系統(tǒng)的組成基礎(chǔ)，也就是說能單獨使用，也可以聯(lián)立組裝完。CustomSystem：這是ANSYSWorkbench軟件中的用戶系統(tǒng)，我們經(jīng)常見到的耦合分析這種操作就要求在這個系統(tǒng)中尋找。DesignExploration：這是ANSYSWorkbench軟件中的設(shè)計探索模塊，這個模塊總共有四個組成部分，其中就有全局優(yōu)化等模塊。ExternalConnectionSystems：外部連接系統(tǒng)（ANSYSWorkbench新增功能）。1.2有限元分析基本原理當有限元法就是自整向零、由零向整轉(zhuǎn)變的過程，這一轉(zhuǎn)變原理同樣適用于分析軟件，即將物體離散，變成許多個小的且每一個小的關(guān)系緊密，這樣共同構(gòu)成一個小單元體，并且代表著此處的受力以及變形情況，假設(shè)小單元格無限小逼近于無則就可以代表此處受力情況，再將隨便任意一個單元格的受力情況疊加，就是此物體的受力。綜上所述，單元劃分作用舉足輕重。有限元分析的流程相對比較簡單，就是使用三維建模軟件對需要有限元分析的對象進行三維建模，為避免單元格劃分時由于模型幾何形狀不同致使劃分單元格失敗的情況出現(xiàn)，需對三維模型進行簡化。汽車座椅的功能部件數(shù)量大，且結(jié)構(gòu)也很復雜，若單一劃分汽車座椅會使誤差較大。此外，汽車座椅的焊接點以及一部分的圓弧點在劃分時由于形狀差異也會使得劃分單元格誤差較大，繼而影響到分析的結(jié)果?？梢詫γ恳粋€單元格目標函數(shù)進行定義，即將節(jié)點作為半掛車單元劃分時的目標函數(shù)，則汽車座椅離散后，每一個的小的單元就會演變成各一個的研究對象，而位移與力則隸屬于線性關(guān)系，若是輸入一定的定值力，那么，結(jié)點位移參數(shù)是輸出的參數(shù)，即為目標函數(shù)，故每一個的節(jié)點位移函數(shù)，其關(guān)系公式為：{U}=[N]{δ}e（4-1）其中，{U}為位移向量；[N]為函數(shù)向量；為所有點位移向量。那么據(jù)（4-1），可推算得到節(jié)點的應變：{ε}e=[T][N][B]{δ}e=[B]{δ}e（4-2）其中，[T]為微分算子；[B]為單元應變矩陣；{δ}e為任意節(jié)點矩陣則：{σ}e=[D]{ε}e=[D][B]{δ}e（4-3）其中，{σ}e為盈利矩陣；[D]為彈性矩陣，取決材料屬性單元剛度可以由最小勢能原理可以得到：[k]e=?[B]T[D][B]dxdydz（4-4）其中，[k]e為剛度矩陣單元平衡方程為：{F}e=[k]{δ}e（4-5）其中，{F}e為等效節(jié)點應力有限元法作為一種基本數(shù)值進行分析的方法已廣泛運用在工程中，因為它可以有效地模擬出各種零件的實際幾何形狀結(jié)構(gòu)、受力、約束，故而，它的結(jié)果也更加的精確且接近實際，這可以作為設(shè)計和改進各種零部件的參照依據(jù)。1.3有限元分析建立的原則當在建立汽車坐墊骨架的有限元模型時，應符合以下原則：（1）因為網(wǎng)格數(shù)量、大小的劃分決定著電腦計算的速度與精度，所以要確保網(wǎng)格劃分規(guī)則且數(shù)量足夠，同時在保證計算結(jié)果的精度的前提下，盡可能的提高計算速度。如，網(wǎng)格劃分越規(guī)則且數(shù)量越少，則計算結(jié)果的速度越快，但是如果為了追求簡便偷懶將網(wǎng)格劃分的數(shù)量定義的過少，那么就極可能會影響到最后的結(jié)果精度；相反，如果網(wǎng)格劃分的越不規(guī)則并且與上文相反，它的劃分數(shù)量越多，也會出現(xiàn)計算結(jié)果的速度越慢的這種情況，并且精度也會降低。（2）建立有限元模型進行有限元分析，若出現(xiàn)最后的分析其結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差，那么一切工作都白費。所以匯總了常見的幾種誤差來源，以便對模型的檢查，如下圖4-2。圖4-2誤差來源1.4汽車坐墊骨架有限元模型的建立1.1.1材料屬性通過已經(jīng)建立好了的汽車坐墊三維模型，其結(jié)構(gòu)如下面的圖4-3所示，主要由汽車坐墊、支架、滑軌、收納箱外殼和收納箱組成。由于座椅骨架大部分采用的材料為鋼材，型號為Q235，部分部件采用的材料為304不銹鋼REF_Ref9930\r\h[30]，所以分析模型的坐墊、支架、滑軌、收納箱外殼的材料采用Q235，而收納箱材料則采用ABS 。圖4-3分析模型表4-1Q235參數(shù)彈性模量E/Pa泊松比μ密度ρ/(kg·m-3）2.0×10110.37850表4-2ABS參數(shù)彈性模量E/Pa泊松比μ密度ρ/(kg·m-3）1.628×1090.408910301.1.2網(wǎng)格劃分首先定義有限元模型的網(wǎng)格精度，其中網(wǎng)格尺寸調(diào)整過渡里選擇緩慢，劃分質(zhì)量設(shè)為Medium，定義劃分的方法為自動網(wǎng)格劃分形式。因為簡易后的分析模型相對而言比較規(guī)則，所以在進行網(wǎng)格劃分時，按照網(wǎng)格劃分原則進行，具體示意圖如下（見圖4-4）。分析模型進行網(wǎng)格劃分后，節(jié)點數(shù)量為354115個，總單元數(shù)量為226595個。圖4-4有限元模型1.1.3約束及施加載荷根據(jù)汽車座椅骨架式實際承載重量情況，選擇在約束狀態(tài)下分析座椅的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，這樣更能準確反映出坐墊的變形分布情況。本實驗使用靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，對比不同重量的人對座椅的力所產(chǎn)生的變形情況，來驗證收納箱是否會發(fā)生大尺度的變形。全部載荷力分布在坐墊骨架的兩側(cè)，分別采取600N，1000N，1500N進行對比。如表4-1所示設(shè)置有限元模型的邊界約束。表4-3分析模型的支架滑軌約束約束位置支架滑軌底部約束UX、UY、UZ1.5不同重量對座椅骨架的影響1.5.1重量為600N產(chǎn)生的影響對模型在600N的作用下分析得到的總變形量云圖（TotalDeformation）如圖所示（見圖4-5）。通過模型的總變形量云圖得知，最大變形量為0.00049mm，它發(fā)生在坐墊骨架結(jié)構(gòu)的邊緣位置，對腳托的影響小，從而對下方的收納盒影響小，因此汽車座椅在正常青少年使用下，汽車座椅下方收納箱的幾乎不發(fā)生變形。圖4-5600N作用下的總變形量云圖1.5.2重量為1000N產(chǎn)生的影響對模型在1000N的作用下分析得到的總變形量云圖（TotalDeformation）如圖所示（見圖4-6）。通過模型的總變形量云圖得知，最大變形量為0.00082mm，它發(fā)生在坐墊骨架結(jié)構(gòu)的邊緣位置，對腳托的影響較小，從而對下方的收納盒影響小，因此汽車座椅在正常成年人的使用下，汽車座椅下方收納箱的幾乎不發(fā)生變形。圖4-61000N作用下的總變形量云圖1.5.3重量為1500N產(chǎn)生的