基于有限元分析的某轿车座椅静力学分析

苏蓉　陈晨　许星月　尹宗军　洪雨　王清清

摘 要：汽车座椅是汽车舒适性的重要保障。文章通过建立座椅的骨架模型，利用ANSYS Workbench（AWB）中的静力学模块，得到了对靠背、坐垫以及头枕的有限元分析。针对座椅靠背连接件（即头枕、背靠和坐垫）仿真结果表明：座椅各部分的结构强度符合要求，座椅的安全性能能够得到保障。

关键词：汽车座椅;有限元;静力学分析

中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）03-116-03

前言

汽车座椅作为汽车的基本装置，是联系人体与车身的主要部件，对人体减振、主动安全的作用是不言而喻的。汽车座椅是为了保证驾驶员有一个良好的视野环境以及对汽车操控系统的控制;同时汽车座椅也起到支撑的作用，通过合理的体压分布来支撑人体;也为驾驶人员提供舒适的驾车环境，通过舒适的软垫、靠背、坐垫支撑人体，减轻人体在行车途中由于路面的不平稳以及其他状况产生的颠簸;最重要的是对驾车人员提供安全的保护措施，减轻驾车人员在汽车行驶途中所发生的意外状况产生的危害。

与国外的汽车座椅研究相比，中国的设计研发相对落后，但是随着国内汽车企业的兴起，其相关技术再在快速的成型中。付奇[1]采用有限元软件Hypermesh和ABAQUS对汽车座椅静强度和结构优化进行了分析，其仿真结果显示，改进后的座椅结构完全符合我国法规要求，靠背总成质量减少了28.04%。董玉石[2]进行了线性静力有限元分析，计算结果表明在弹性范围内，大变形几何非线性的存在使座椅骨架的静刚度随载荷增加而增大。本文以汽车的后排座椅骨架为分析对象，建立座椅的骨架模型，然后利用AWB中的静力学模块对对靠背、坐垫和头枕分别进行了仿真，为后排座椅的优化设计提供理论基础。

1 有限元分析理论过程

有限元分析的简写为FEA，进行有限元分析的首要原则就是使用数学模型中的算法来模拟真实物体的物理模型。本文通过ANSYS软件进行仿真分析，ANSYS分析软件主要分为前处理、网格划分与计算以及后处理模块[3，4]。ANSYS的前处理模块可以进行实体建模和网格划分的功能，方便用户有效的进行模型的搭建;在计算模块可以对结构、流体、磁场等两个以上的物理场进行耦合分析，例如热电耦合、热力耦合和流热偶合等;后处理模块主要对计算结果进行处理分析，如应力、位移云图以及图表和时间曲线的显示输出[6]。本文中主要对汽车后排座椅进行静力学分析，针对座椅在承受人员的重量载荷以及躺下的重量对座椅的头枕、靠背和坐垫的应力、应变和位移的变化。

2 汽车后座的静态分析

在ANSYS Workbench界面环境中，用户可以进行模型的建立，材料定义，网格划分，边界条件的设置以及后处理的联合仿真分析。AWB界面提供先进的独立的分析模块，能够对比较复杂的两个或两个以上物理场耦合问题进行后期处理，增加了分析仿真的应用范围。本文以某汽车后座椅模型为研究对象，用CATIA软件建立座椅三维模型，再将建好的座椅导入有限元软件workbench。在座椅骨架模型导进以后，先进行座椅各个部分的材料定义;再对汽车后排座椅的头枕、靠背和坐垫部分进行网格划分，其网格尺寸大小为4-8mm，部分网格为4mm，地板部分为约束用刚体材料使用l0mm网格，其他部件为5mm;最后对座椅结构进行6个自由度的约束。

由前述对头枕部分进行网格划分，其网格数量及节点数分别为：节点数10362，单元数量4267，且在头枕下部进行固定约束，头枕中间位置在集中力载荷890N的作用下，如图1所示。如图2所示，头枕位移主要出现在弯管和横板处，最大位移在横板出的中心位置，为7.06mm。头枕结构的应力分布相对于中心对称，应力在横板和头枕钢管中部受力比较大，应力超出了材料允许的曲服应力，发生严重的应力集中，如图3所示。此外，在弯管和衬套之间应力云图如图4所示，在衬套和钢管接触的部分应力比较大，其衬套的应力云图最大应力为261Mpa。

由图5靠背位移云图可知，座椅靠背处的位移主要集中在和头枕接触的位置，最大位移量为13.28mm。靠背的骨架是一个对称结构，其在承受载荷后应力应变分布实行大体一样，最大的应力应变主要集中在靠背钢管的下部区域即调角器与靠背连接部位。由图6和7靠背静态结构应力、应变云图可知，应力最大值和应变最大位移分别为245Mpa和0.001mm。

由前述对坐垫部分进行网格划分，坐垫网格的节点数为108711，单元数量为52321。坐垫的边界条件为固定约束。如图8坐垫位移云图所示，坐垫的变形量分布是对称的，最大位移在薄板中心位置，其值为0.58mm。从图9和10坐垫部分的应力应变云图可以看出，由于坐垫骨架结构的对称性以及施加的外部载荷呈现对称分布，其应力应变的变化规律也是对称的。坐垫四个横梁处的应力和应变值较大，最大应力为200Mpa。

3 结论

本文通過对后排座椅材料的定义、网格的划分以及载荷的施加，然后对汽车后排座椅的头枕、靠背和坐垫部分进行静力学分析，得到对头枕、靠背和坐垫的位移、应力和应变分析，为轿车座椅改进提供理论依据。

参考文献

[1] 付奇.基于有限元方法的汽车座椅静强度和结构优化[D].吉林：吉林大学， 2004.

[2] 董玉石.汽车座椅骨架有限元分析[D].北京：清华大学硕士学位论文， 1997.

[3] 姚为民，孙丹丹.汽车座椅系统安全性综述[J].汽车技术，2002（8）： 5-8.

[4] 郭长城.轿车车架模态分析与结构优化[D].长春：吉林大学， 2011.