基于有限元技术的座椅支撑杆寿命分析与改进

■ 诸城市义和车桥有限公司 （山东 262200） 杨振毅 关炳奇

随着计算机技术和有限元分析技术的不断发展，有限元分析在我司产品开发、失效模式预判、结构改进优化和轻量化方面得到逐步深入和拓展；为了解决座椅支撑杆在市场上反馈的早期失效问题，我们对支撑杆进行了有限元建模和疲劳寿命分析；并对该件进行了结构优化和改进前后对比分析；需要指出的是，在众多影响有限元仿真结果的因素中，边界条件的合理性，尤其是施加载荷的准确性，对仿真结果起着决定性的作用。

1. 有限元分析

本文的研究对象是汽车座椅上的支撑杆，如图1所示黄色部分。该支撑杆交叉布置（见图2），中间由心轴连接，组成上下伸缩支撑机构，并且座椅调整高度后承受座位上的正压力；该支撑杆材料为Q235C，厚度3mm。承受来自于座位上平均686N的垂直载荷，支撑杆调整角度范围20°～45°。

图1 座椅结构图

图2 支撑杆

图3 支撑杆受力简图

根据人机工程学，现只分析支撑杆20°的极限受力工况，该工况时受力简图如图3所示。

由图3可知，该支撑杆一端与下支座固定，另一端承受来自于驾驶员的垂向载荷Fc，为了便于计算，将垂向力转换为支撑杆的直接作用力Fz。

支撑杆中间的两个小孔特征对支撑杆的受力状况没有太大影响，如果保留，反而会导致局部的单元数量过大，增大了计算量，故在尽可能反映支撑杆的基本力学特性的前提下，去除此类小特征以简化模型，只保留了中间连接孔。此外，应保证支撑杆厚度方向上至少要有3层单元，关键区域处的圆孔周围应该至少有12个单元，圆角处至少有3～4个单元。因此，根据支撑杆总体尺寸，划分网格时单元尺寸分布在0.5～1.0mm之间。

该支撑杆的材料属性如附表所示，最终得到有限元模型含有493 993个节点，287 600个单元，网格划分结果如图4所示。

2. 基于静力平衡的边界条件计算

边界条件对有限元分析结果影响很大，本文载荷计算采用人体2倍质量换算出的载荷作为承受载荷。

Fz=Fc/sin20°=686N/0.342=2 005.85N

根据相关资料，所选材料的参考S-N曲线如图5所示。受各种实验因素的制约，该材料的S-N曲线仅供参考。

图4 支撑杆有限元模型

图5 S-N曲线图

图6 分析云图

图7 改进后分析云图

材料属性表

3. 有限元分析结果及改进

根据上述分析，获得有限元分析结果，如图6所示。

根据分析云图6所示，针对薄弱截面，更改该件结构，在危险截面增大过渡圆角，由原来的R3mm改为R6mm，并将翻边高度增加了3mm，重新进行了有限元分析，结果如图7所示。

4. 结语

通过改进支撑杆的结构，在不改变材料的前提下，危险截面处的应力降低了1.98倍，远低于材料的屈服强度，保证了构件的使用安全。

通过分析初步判断该支撑杆失效的主要原因是疲劳失效，循环次数29 393次，与实际座椅支撑杆30 000多次的失效模式一致；通过改进，消除了疲劳失效危险截面（见图7），疲劳循环寿命达到了100万次，完全满足了设计要求，市场反馈良好。

本文对某座椅结构件有限元模型建立后，根据座椅的实际受力状况，选择比较恶劣的载荷边界条件，结合该件材料的应力—寿命曲线；对该问题的解决有比较好的现实意义。

参考文献：

[1] 赵少汴. 抗疲劳设计手册 [M]. 北京：机械工业出版社，2015.

[2] 许京荆. ANSYS Workbench工程实例详解 [M]. 北京：人民邮电出版社，2015.

[3] 李亮，宋健，文凌波，等. 商用车驱动桥壳疲劳寿命的有限元仿真与实验分析 [J]. 机械强度，2008，30（3）503-507.

[4] 吴炜，李守成. 某特种半挂车车架有限元分析及试验研究 [J].机械强度，2016（6）：1361-1365.