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1、摘 要 客车座椅是客车上重要的结构部件，对汽车的性能有很大的影响。客车座椅设计中一定要满足国标GB13057客车座椅及其车辆固定件的强度的要求。了解和掌握汽车座椅的特性和设计方法，并对其进行CAE分析是车身设计中的重要环节之一。CAE（电脑辅助工程）作为一种辅助设计在设计发展历程中已经被广泛的使用，其分析的快速反馈得以实现循环反复设计、分析。通过有限元法对座椅骨架结构进行分析，对降低设计与制造成本，增强市场竞争力等都具有十分重要的意义。本文通过对Catia和HyperMesh的学习，以某长途客车乘员座椅为例，建立了三维模型和基于板壳单元的座椅骨架结构有限元模型；在板壳单元有限元模型的基础上对其
2、静态性能进行了分析与研究，得出了一些有效的结论。确定其静强度完全符合国标的要求。关键词：客车座椅 静强度 CAE分析 HyperWorkswAbstractThe coach seat is the most important structural element of coach. It also affects the performances of coach. In the coach seat design, it must be meet the design requirements of GB13057 the strength of the seats and their
3、anchorages of passenger vehicles.To know and master properties and design methods of the coach seat, and CAE analysis of its is an important step in coach design. CAE (Computer Aided Engineering) was used extensively as a design aid during the frame development. Quick turn-around of analyses allowed
4、 multiple design/analysis loops to be performed. Using finite element method to analyze seat framework structure, reducing the cost of design and anufacture of coach, and increasing capability of market competition.Through studying Catia and HyperMesh software this thesis built the FEA model of the
5、seat of a coach with shell elements. Based on the model, the author researched the seat static strength performance of the seats frame structure and got some effective conclusions. The conclusions substantiate that the seat strength meets the design requirements of GB13057 the strength of the seats
6、and their anchorages of passenger vehicles.Keywords：Coach Seat Static Strength CAE Analysis HyperWorks目 录第一章 绪论11.1座椅设计的意义及重要性11.2.客车座椅设计的相关法规要求21.3.目前国内外客车座椅设计的现状及发展51.4.汽车行业CAE分析现状及发展趋势71.5.HyperWorks系列软件简介8第二章 客车座椅设计112.1.客车座椅的结构112.2.座椅的特性132.3.座椅几何建模19第三章 座椅的试验与评价333.1.各类座椅试验简介333.2 CAE分析试验方案34
7、第四章 座椅骨架的静强度CAE分析384.1.建立座椅骨架的CAD模型394.2.将CAD模型导入到HyperMesh404.3.抽取中面404.4.拓扑修复414.5.网格划分424.6.网格质量的检查454.7.质量指标(QI)对单元质量的评价与优化484.8.定义单元类型、材料、属性等504.9.设定边界条件524.10.定义控制卡Control Card574.11.求解计算并查看结果574.12.总结61第五章 结论64参考文献65致谢67第一章 绪论近年来随着社会的快速进步，经济的迅猛发展，全国居民生活水平的大幅度提高，旅游业的迅速发展，高速公路的大力兴建，各旅游公司、出租汽车公司
8、及宾馆饭店、长途客运站等部门迫切需要豪华、舒适、性能良好和安全可靠的客车。现代人们对客车座椅的要求，不只是满足于外形美观华丽，更重视人的因素，例如：舒适的乘坐姿势、合理的体压分布、可靠的安全性等。座椅作为客车的重要组成部分，直接关系到客车的乘坐舒适性、安全性和方便性，并在感情上影响人们对客车的评价。本文以某长途客车乘客座椅为例，对其设计中若干问题进行了研究，例如相关国家标准、行业标准、各项法规、人机工程学、生理学等等。座椅的静态强度CAE分析试验方案根据GB13057客车座椅及其车辆固定件的强度中对座椅骨架静态强度试验方案的规定和要求进行，对座椅在投入生产之前进行座椅骨架静态强度验证，如不满足
9、国标要求则进行相应的改进设计，必要的时候可用试制件进行真实试验，一方面验证CAE分析结果，另一方面使设计人员更直观的发现问题，改进设计，直至满足要求。1.1座椅设计的意义及重要性汽车座椅用于：支撑乘员的质量；缓和与衰减由车身传来的冲击和振动；给驾驶员提供良好的工作条件；并为乘客创造舒适和安全的乘坐条件。由此可见，座椅设计的好坏，将对汽车的平顺性、乘坐舒适性、安全性等产生很大的影响。因此，掌握汽车座椅的特性和设计方法，是车身设计中的重要环节之一。一般，汽车座椅设计应满足如下要求1：1）.应有良好的静态特性，即：座椅的尺寸和形状应使人体具有合适的坐姿，良好的体压分布，触感良好，并能调节尺寸和位置，
10、以保证乘坐稳定，舒适，操作方便，视野良好。2）.具有良好的动态特性，以缓和与衰减由车身传来的冲击和振动，保证驾驶员能较长时间工作而不感到疲劳；乘客能感到乘坐舒适愉快。3）.有足够的结构强度、刚度和寿命，并能在发生交通事故时尽量减少乘员的受伤程度，亦即具有足够的安全性。4）.结构紧凑，外形与色彩应美观、大方，与车身内饰相协调，并能尽可能减轻质量，降低成本，有良好的结构工艺性。而对于长途客车乘员座椅而言，其在客车的乘坐舒适性方面起着举足轻重的作用。要防止乘员在长途旅行过程中产生强烈的疲劳感，如遇突发情况也要对乘客起到一定的保护作用，同时其设计也是长途客车内饰设计的重要组成部分。1.2.客车座椅设计
11、的相关法规要求随着社会的进步和生活质量的提高，人们对生命的关注程度也越来越高。当今的汽车设计越来越重视汽车的安全技术，“安全、环保、节能”是汽车发展研究的主要方向。在汽车被动安全体系中，座椅与乘员的生命有着最直接的关系，特别是客车和客车座椅更不容忽视。座椅不再是简单的美观和乘坐的需要，而是集人机工程学、舒适性、安全性为一体的系统工程产品，是对乘员起保护作用的被动安全性的研究领域的具体体现，在客车整车安全技术中，占有重要地位。欧洲的汽车安全性发展较早，有严格的汽车安全法规，针对座椅的安全标准条款，各个国家都有相关法规标准。联合国欧洲经济委员会(ECE)、美国、日本、澳大利亚等发达国家针对座椅系统
12、的安全性已经制定了一系列技术法规和标准，如ECE机动车法规中的R17关于座椅及固定装置强度的统一规定、R25关于汽车头枕的统一规定、R80大型客车座椅认证及座椅强度和固定件强度有关的车辆认证的统一规定，美国联邦机动车安全标准FMVSS202头枕、FMVSS207座椅系统、FMVSS208乘员碰撞保护，日本道路运输车辆安全标准(JMVSS)等，以规范客车座椅的设计、制造、使用和质量检测-提高座椅系统的被动安全性2。我国也十分重视座椅系统安全标准的制定工作，90年代以来，GB15083-1994汽车座椅系统强度要求和试验方法、GB11550-1995汽车座椅头枕性能要求和试验方法、GB11563-
13、1995汽车H点确定程序相继发布和实施。1998年10月，原机械工业部正式将汽车座椅和头枕列为汽车新产品实施40项强制性检验的项目之一，并依据GB15083对M2和M3类客车的座椅进行安全性能检测；1999年10月，原国家机械工业总局发布CMVDR217关于座椅、座椅固定装置和头枕的设计规则，以规范客车产品的设计、生产和质量控制；2001年4月，国家经贸委产业（2001）098号文关于受理车辆新产品申报工作的通知中，重申了对客车新产品的座椅进行强制性检测的要求。这些标准和技术政策的发布与实施，对促进客车座椅安全性能和制造质量的提高发挥了积极作用。在交通事故中，最严重、对人体生命危害最大的是撞车
14、事故。汽车与其它物体发生撞击，为第一次碰撞；碰撞瞬间车身变形吸能、减速，由于迅速减速原因，产生巨大的惯性力，乘员以一定的速度和车内物体发生撞击，为二次碰撞。乘员正是在此过程中受到巨大伤害。乘员与车内物体的碰撞行为与伤害程度是被动的，在极短的时间里，不能够靠主观意识控制事故发生。研究二次碰撞中乘员的安全保护措施，提高减少伤害的有效装置技术，为被动安全的领域范畴。在撞击中，人体有一个生理忍受极限，它是以加速度、位移、承受力等指标来衡量的。联合国欧洲经济委员会法规ECE R80中规定了：M3类车中座椅的动态性实验要求，其中人体的生理忍耐伤害极限分别满足：头部极限值为HIC500，胸部负荷标准值为TH
15、AC30g，膝部负荷标准为FAC10kN。客车座椅系统是旅途中乘客的乘坐工具和居住场所，不但应能承受人体重量，同时还应能经受车辆起步、加速、制动等重复动作和碰撞事故的冲击，是客车上重要的被动安全系统之一。每年的客车乘员伤亡事故中，有相当大的比例是由乘员与座椅的二次碰撞或车辆固定件失效引起的。在发生二次碰撞过程中，乘客身体前移，以膝部先接触前排座椅后背部，继而胸部和头部撞击前排座椅的后部。为最大限度避免乘客受到伤害，作为安全设施的乘客座椅，首先需要具有足够的强度和一定的柔性，即能够有一定的变形来缓冲撞击能量；与车身连接的固定装置要有足够的固定强度，不至于使座椅脱离车身；座椅靠背要有一定的缓冲吸能性；座椅外部不能有尖锐突出物，座椅背部附件设施应设置合理等。如果在上述碰撞中，后排座椅加装安全带，可以有效地束缚乘员的身体，减少前向位移，控制撞击伤害程度。所以，安全带是公认最廉价而又最有效的乘员保护装置。美国、德国等早己用法令形式，强制执行客车所有座椅上加装安全带，以提高安全性。GB13057客车座椅及其车辆固定件的强度规范性引用标准如表1-1所示，其基本内容如图1-1所示。表1-1国标GB13057规范性引用标准序号法规代号法规名称1GB11552-1999轿车内部凸出物2GB/T1
