基于SolidWorks simulation的某型汽车座椅骨架的谐波振动特性分析

薛玉斌，王宏伟，孙晓帮，郭文涛（.锦州立德减振器有限公司，辽宁 锦州 007；.辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 00）

基于SolidWorks simulation的某型汽车座椅骨架的谐波振动特性分析

薛玉斌1，王宏伟2，孙晓帮2，郭文涛2
（1.锦州立德减振器有限公司，辽宁 锦州 121007；2.辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 1121001）

针对汽车座椅在动态载荷作用下的强度校核和振动特性分析需要，在Solidworks软件中建立汽车座椅骨架的数字模型，利用Solidworks Simulation模块对座椅骨架数字模型进行模态分析，得到汽车座椅骨架的前15阶模态结果。根据模态分析结果，确定谐波激励的频率范围，对座椅骨架进行谐波振动分析，选取重点关注的8个节点绘制了应力/频率响应特性曲线和位移/频率响应特性曲线。结果表明：考虑实际使用条件，所设计的座椅骨架强度在安全范围内；最大振动位移产生的位置在横梁顶端处，与实际情况相符合，为后续的座椅蒙皮等隔震原件选择和布置提供了依据。

Solidworks；汽车座椅；模态分析；振动特性分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.037

CLC NO.: TQ336.4Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-102-03

引言

汽车座椅是唯一和人体直接接触的汽车内饰件，对整车的舒适性和安全性起到了至关重要的影响。由于汽车座椅是和整车直接相连的部件，路面不平度激励通过悬架系统传递到车身的振动能量会直接加载到汽车座椅上，进而对乘坐的舒适性产生重要的影响。此外，座椅还承受着在起步、停车等不同工况下人体对椅面和靠背的冲击力，在研究汽车座椅的振动特性和结构安全时，很难复现座椅的复杂受力情况。为了模拟复杂外力的影响，可将外界激励简化为简谐激励，研究座椅骨架在某一频率范围内的简谐激励作用下的响应特性。

1、模型的建立

1.1三维数字模型的建立

在不影响有限元分析结果的前提下，对汽车座椅机构进行了相应的简化以提高仿真效率。本座椅骨架模型包括以下部件：座椅靠背、座筐、靠背角度调节装置、前后调节装置、高度调节装置、脚支撑，如图1所示。

图1　座椅骨架三维模型

1.2汽车座椅有限元模型的建立

有限元模型建立过程包括以下关键步骤：1.应用材料；2.添加约束和边界条件；3.施加载；4.划分网格；5.求解模型。本汽车座椅CAD模型中，座椅靠背骨架采用的是碳素结构钢Q235-A（F），座筐采用的是铝合金材料5554-O （GB），调节机构采用的是结构钢材料20Mn。三种材料的特性如下表1所示。根据实际的使用条件，对座椅的脚支撑施加固定约束。

表1　座椅骨架材料参数

本模型中座椅横梁采用的是梁单元，座筐采用的是面单元，其他部件采用的是二阶四面体单元，不同部件之间的面接触方式采用的是接合方式，高度调节机构和电机的安装孔采用的是Solidworks中提供的虚拟刚性销连接。网格划分完成后，单元总数为504589，节点总数为847661。

2、汽车座椅骨架的模态求解与分析

模态分析可以确定结构固有的振动响应特性，同时模态分析结果也是谐波分析时所需的重要参数。为了准确的反映汽车座椅骨架的动态特性，将汽车座椅骨架的固有频率全部包括在分析内，在进行汽车座椅骨架的谐波振动分析前需要对座椅骨架进行模态分析。由实验表明，结构的阻尼特性和外力对结构的固有频率和阻尼的影响较小[1]，故在对结构的固有频率进行求解时可以忽略阻尼的影响。

在Solidworks Simulation的振动分析模块中创建算例，忽略阻尼和外力的影响，设置算例属性为计算前15阶模态，解算器选择FFEplus。运行后得到模型的前15阶模态，结果如表2所示，部分振型图解如图3所示。

表2　汽车座椅骨架模态分析结果

图2　汽车座椅骨架的部分振型

汽车座椅振动动态特性对乘员的乘坐舒适性有重要影响。人体的共振频率主要分布在30Hz以下的低频段[2]。汽车座椅的模态分析结果表明，座椅骨架的一阶固有频率为39.317Hz，避开了这一频率段。同时，确定了汽车座椅骨架的前15阶模态在39-350Hz范围内，为下一步的谐波分析提供了依据。

3、汽车座椅骨架的谐波分析

谐波响应分析的目的在于，通过计算物体在某一频率范围内的简谐振动载荷激励作用下的响应特性，包括位移响应特性和应力响应特性等。通过分析响应特性曲线，可以直观的了解物体在不同频率简谐激励下的应力和位移峰值响应值以及对应的频率。根据上一步模态分析的结果，取座椅骨架前 12阶的固有频率作为分析对象，将分析频率设定在 0-300Hz，载荷步设为2Hz。

为了模拟座椅的实际使用工况，在座筐上表面施加75KG的分布载荷，靠背中部的横梁上施加100N的载荷，座椅支撑脚的下表面施加1000N的载荷，运行算例。求解结束后，根据云图分布选取8个相对重要的点来分析座椅的响应特性，包括座椅靠背顶端横梁中部、中间横梁、高度调节机构等处，各点分布如图4所示。

图3　8个节点的分布

通过扫频的方式，分别求解这六个点的位移和应力的响应特性，座椅骨架上8点在0-300Hz的位移/频率和应力/频率响应特性,如图5所示。

图4　座椅骨架上的8个节点的响应特性

由响应特性图可以发现，位移和应力峰值都出现在座椅的固有频率附近，且1阶固有频率附近的位移值和应力值最大，这与理论相符合。峰值应力发生在前高度调节机构上的180493节点，值为16.2MPa，峰值应力远低于高度调节机构所选用材料20Mn的屈服强度185Mpa，符合设计强度要求。峰值位移发生在座椅靠背顶端横梁上的 166109节点，值为1.58mm。在下一步选择头枕等缓冲材料时，可针对位移响应结果，在位移响应较大处选用阻尼较大的材料，通过材料的缓冲作用降低振幅，提高乘坐舒适性。

4、结论

本文通过建立某型汽车座椅骨架数字模型，对座椅骨架数字模型进行了谐波振动分析，得到了座椅骨架的位移和应力响应特性曲线。通过分析应力响应特性曲线，确定座椅骨架强度在安全范围内。通过分析位移响应特性曲线，确定了振动过程中最大位移产生的位置在横梁顶端处，为后续的座椅蒙皮等隔震原件选择和布置提供了依据。

[1] 薛宇.基于发动机激励下的客车骨架动态特性分析[J].湖北汽车工业学院学报,2011,25(01):14-17.

[2] 张昕宇.驾驶座椅腰部支撑结构设计及座椅有限元设计[D].沈阳:东北大学,2012:53-60.

[3] 李晓雷,俞德孚,孙逢春.机械振动基础2版[M],北京:北京理工大学出版社,2010.

[4] 陈超祥,胡其登.Solid Simulation Premium振动分析教程[M].北京:机械工业出版社,2012.

The Vibration Characteristic Analysis on A Certain Type of Car Seat Frames Based
on SolidWorks Simulation

Xue Yubin1, Wang Hongwei2, Sun Xiaobang2, Guo Wengtao2
( 1.Jinzhou Leader Shock Absorber Co., Ltd., Liaoning Jinzhou 121007; 2.Auto & Transportation Engineering College, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001 )

In order to analysis the strength and vibration characteristics of the car seat under the dynamic load ,the digital model of car seat frame was set up in Solidworks, modal analysis was carried out by Solidworks Simulatin, and the results of the first 15 modal of car seat frame was got. Then harmonic vibration analysis was carried out on the seat frame, eight important nodes were selected to draw stress/frequency response curves and displacement/frequency response curves. The results show that the strength of the seat frame is in the safe range, and the position of the maximum vibration displacement is in the top of the beam, which can the basis for the selection and layout of the Seismic isolation, such as seat skin, etc.

Solidworks; car seats; modal analysis; vibration characteristic analysis

TQ336.4

A

1671-7988（2015）12-102-03

薛玉斌，就职于锦州立德减振器有限公司。