某汽车座椅的结构分析与模态优化

发布时间：2020-06-08 11:18

【摘要】：汽车座椅是联系驾乘人员和汽车的主要部件,它直接决定着驾乘人员的安全性和舒适性,因此汽车座椅的重要性就不言而喻。关于汽车座椅的安全性,国家和企业都制订了相应的法规和试验要求,目前,相关试验流程、试验设备和有限元仿真分析也已十分成熟,这对提升座椅行业的整体水平和保障驾乘人员的安全性有着重要意义。同时,汽车座椅的振动问题影响着座椅舒适性,而有效提高座椅的模态频率是防止产生共振的有效措施之一。本文主要研究内容如下:(1)动态仿真模型的建立及分析。基于某款汽车座椅的CATIA几何模型,采用HyperMesh软件对该座椅进行有限元前处理,获得了座椅的4个动态工况求解模型,分别是座椅系统强度工况、座椅头枕性能工况和50%HybridⅢ型假人前后碰工况,然后代入到LS-DYNA软件中计算得到4个工况的结果。(2)模态试验、模态仿真模型的分析和验证。对该款座椅进行了模态试验,利用模态置信准则MAC(Modal Assurance Criterion)、模态相位共线性MPC(Modal Phase Collinearity)和平均相位偏移MPD(Mean Phase Deflection)3个指标验证了模态试验结果的有效性。考虑到座椅部分结构建模和参数提取的难度,对关键结构的刚度参数进行了数值分析,得到了结构参数对频率的影响趋势,并获得了较小频率误差的模态仿真模型。利用互模态置信准则Cross MAC(Cross Modal Assurance Criterion)对仿真模型进行了验证,表明仿真模态结果和试验模态结果吻合得较好。(3)座椅结构模态频率的优化。基于已获得的模态仿真模型,按照从“概念设计”到“细节设计”的思路,分别逐步运用模态应变能法、形貌优化、拓扑优化、尺寸优化和部分工程经验,对该座椅进行了模态频率的优化,其中在尺寸优化中添加了座椅典型载荷下的柔度约束。优化后的座椅1阶频率为19.64Hz,提升3.06Hz,改善了汽车座椅的振动特性,有效地避免了共振的发生。(4)优化后座椅动态工况的验证。在满足频率要求后,需要重新对各动态工况进行验证,将频率优化后的座椅模型代入到其余4个动态工况中进行计算,由于部分工况存在风险,对部分零件材料进行更换并再验算,保证最后的座椅模型满足所有动态工况的要求。最终,修改后的座椅模型1阶频率提升3.06Hz,且满足相关法规动态工况的要求,质量反而降低了0.31Kg,实现了一定的减重。
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2 座椅动态工况建模和分析的安全性是座椅的前提要求，因此，需要对座椅进结构分析，首先需要对座椅的物理结构有充分的认标准和企业标准，熟悉相应的测试流程和规范，并，分析座椅性能并用于后续的改进。构成上看，汽车座椅一般由头枕、靠背、坐垫、调节着人们对座椅的要求越来越高，可调节装置也越来和靠背角度调节之外，类似腰部和腿部支撑等的舒件主要是用于将座椅上部与汽车相连，并满足一定个方向的调节功能，常见的座椅连接件为四边形机

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图 2.2 汽车座椅质量分配比例Figure 2.2 Mass Distributions of Automobile Seats骨架，，其余 4 项零部件主要都是为了提高驾乘人员的舒适性，骨础部件，是其他零部件安装的基础，同时也是座椅主要承载的该座椅的安全性。同时，由于骨架占了座椅质量的绝大部分，计的主要对象也是骨架部分。因此，关于汽车座椅的结构仿真要从座椅骨架出发。动态工况有限元建模汽车座椅的重要性，不管是国家还是企业，都对汽车座椅特别相应的法规用来规范座椅的各项性能，提升了整个座椅行业的吸引更多的消费者，企业也做了大量的分析研究，在满足国家更加严苛的规范或者国家标准未要求的性能来设计座椅，进一的安全水平，但企业标准不能完全取代国家标准。因此，有必
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U463.836

【参考文献】