基于ANSYS有限元分析的座椅建模与计算

王建立,李玉光

(大连大学机械工程学院,辽宁 大连 116622)

基于ANSYS有限元分析的座椅建模与计算

王建立,李玉光

(大连大学机械工程学院,辽宁 大连 116622)

采用Pro/E三维建模软件建立座椅的三维实体模型。采用"体单元"的方法建立计算机辅助分析模型。利用ANSYS有限元分析软件对座椅的坐垫、靠背的弹性进行计算,并与座椅试验的力-变形曲线对比,验证了建模与材料定义的正确性。

座椅;有限元;建模;计算

在日常生活中,座椅给了我们很多帮助。座椅不仅能够支撑坐在上面的人身体的重量,减轻人的疲劳以满足人的舒适性要求,还能够满足坐在上面的人的各种功能需求。例如可以移动到自己想去地方、调节椅背的不同角度以满足不同的舒适性要求等。因此,在本文中着重研究人在椅背和坐垫上施加一定的载荷之后,椅背和坐垫的变形程度、应力分布状况和各个方向的位移分布情况。

1 座椅模型的建立

1.1 座椅模型的建立过程

(1)建立座椅结构的几何模型;

(2)选择用于模拟座椅上的各种结构和联接的有限元单元;

(3)用有限元单元对座椅几何结构进行离散化,划分有限元网格;

(4)定义单元和材料的属性;

(5)以试验结果为依据,验证并确认最终的仿真模型。

1.2 座椅结构有限元详细模型的建立

在整个有限元分析求解过程中最重要的环节是有限元前处理模型的建立,这一过程一般包括几何模型、网格划分、添加约束与载荷以及定义材料等。它对后期的分析求解有着直接的影响,影响仿真的精度和效率。建模的基本原则是保证建模的准确性。为保证计算精度,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。

一般可以通过两种途径建立几何模型,一种是使用CAD软件建模,如使用Pro/Engineer、UG、CAT IA等常用的CAD软件建模,另一种方法是应用CAE软件中的CAD模块直接建模。很多的大型有限元软件都包含这样的CAD模块,如ANSYS。与专业的CAD软件相比,CAE软件中的CAD模块在功能和精度上都存在一定的差距,而且比较繁琐,因此对于复杂问题最好使用CAD软件建立几何模型,在划分网格过程中利用CAE软件中的CAD模块对模型进行少量的修改。在本文中我采用Pro/Engineer建立座椅的几何模型,再通过IGES接口,将CAD数据导入到ANSYS中进行前处理。

座椅有限元模型的建立原则为:

(1)在保证计算目的和精度是条件下,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。

1.2.1 体单元的选取

体单元的选取应该从精度、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。ANSYS软件中提供了多种体单元类型,座椅骨架有限元分析模型通常采用三角形和四边形体单元。

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。

图1 椅背和坐垫区域采用四边形单元划分

1.2.2 定义单元材料的属性

对单元进行定义,包括单元类型、实常数、材料特性等。其中骨架和外包壳采用shell 63号单元,泡沫体单元选用Solid 45号单元。

2 座椅模型加载后的有限元分析

2.1 完善CAE模型

如图3所示,通过网格划分,将整个座椅离散为多个单元,建立了完善的座椅CAE模型。

2.2 施加约束和载荷后的情况

根据坐垫的通常受力情况,对坐垫内固定区域加载,每个节点受力均匀,加载节点数为132,;面积为300mm＊300mm。对坐垫和椅背施加一定的载荷,在本文中以一个60Kg的人为实验对象,座椅的坐垫和椅背的应力分布情况和各个部分的位移变化如图4所示。

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和实际状况的一致性,但的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,精良采用四边形单元,尤其是对有坐垫、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,形状变化比较大的区域,如靠背和坐垫两表面相交处,采用了少量的三角形单元。总体上来讲,大部分区域采用四边形单元进行网格划分,小部分区域采用三角形单元进行网格划分。

具体的网格划分区域如图所示:

图2 椅背和坐垫区域采用四边形单元划分

3 对施加载荷后的座椅进行求解计算

图3 座椅的CAE模型

在对座椅施加载荷之后,用ANSYS进行运算,最后得出座椅受力的应力分布云图和位移云图。应力分布图展示了X、Y、Z三个方向上的应力集中分布情况(图5、图6、图7)。位移分布图也分别展示了X、Y、Z三个方向上的位移变化状况(如图8、图9、图10)。

图4 施加载荷后的情况

图5 X方向应力云图

图6 Y方向应力云图

图7 Z方向应力云图位移图:

图8 X方向位移云图

图9 Y方向位移云图

4 结论

采用体单元网格划分的方法对座椅进行有限元分析是比较成功的,这样就可以在进行座椅设计研究时,着重考虑应力集中的地方和位移发生较大的地方,为下一步的设计做好前期准备。当然也存在一些不足之处,在进行网格划分时,对模型进行了较大的简化,应该进行进一步的完善几何模型和有限元模型,是结果更加优化。

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Modeling and Simulation with Finite Element Method in Seats

WANG Jian-li,L I Yu-guang
(College of Engineering,Dalian University,Dalian,116622,China)

Establish the 3-D solid modeling with the software of Pro/Engineer.Establish the computer aided engineering model of car seat with the methods"solid elements",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.

seats;finite element method;model building;Simulation

TH122

A

1008-2395(2010)06-0053-04

2010-10-05

李玉光(1963-),男,教授,Email:dlxsc@126.com