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1、汽车座椅的四连杆机构有限元分析发表时间：2005-4-27 郑伟巍 王瑞 关键字：碰撞 ABAQUS Beam 模型 有限元计算分析 信息化应用调查在线投稿加入收藏发表评论好文推荐打印文本本文前后处理利用了 HyperMesh 软件，计算分析应用 Abaqus 软件，给出了一种汽车座椅系统 Beam 模型。摘要：本文前后处理利用了 HyperMesh 软件，计算分析应用 Abaqus 软件。给出了一种汽车座椅系统 Beam 模型。主要探讨 Abaqus 软件 Beam 单元简化模型，用于改进座椅的四连杆机构设计的分析方法。按照汽车座椅的碰撞分析的载荷工况，用 Abaqus 软件对座椅系统进行了
2、碰撞试验工况的有限元计算分析，得到了四连杆机构的截面应力以及弯矩，大大节省了分析运算的时间。同时，可以评定杆件是否失效与失稳，应用于结构设计，加快了设计进度，并优化设计。 关键词：碰撞 ABAQUS Beam 模型 有限元计算分析一、前言汽车座椅碰撞试验的研究意义主要在于：当高速碰撞发生时，椅子结构不被破坏，乘员不会受到伤害。一般每个国家都有其各自的国家标准，椅子作为汽车中与乘客关系最为密切的部件，更因为其安全性的重要，而受到广泛关注。目前，欧美各国，有限元分析已成为汽车座椅设计阶段的重要辅助设计手段，对于真实试验的仿真模拟，提供结构改进意见。本文所阐述的碰撞试验，是利用两个试验块分别模拟人的
3、胸部和腰部，将其用安全带固定在椅子上，施加外力，模拟汽车发生前碰撞的时候，人和椅子自身对于椅子的作用力。由于试验模拟的是瞬间碰撞过程，所以运用 LS-DYNA 来计算，能达到比较理想的结果。通常情况下，完成一把椅子的分析，需要由建模、分析计算到后处理，三个主要部分，大约需要三到四周的时间。构建一把椅子的有限元模型，大约要有十万个节点和二十万个单元，这样一个普通双 cpu 服务器大约要算三十个小时。这是一般客户能接受的时间。有时客户还会需要缩短时间，得到一个较粗糙，但是可接受的结果。本文论述的这个分析，正是在客户的要求下，为了缩短分析周期，改用 Abaqus 软件计算，同时用 Beam 单元（一
4、维单元）建模。通过简化模型，不考虑接触的影响，对某座椅系统进行了有限元计算分析。这样大大减少了建模时间，计算时间也减小到一个小时左右。客户最关心的重点是椅子下边用来传力的四连杆机构，通过分析计算得到杆件的截面应力以及弯矩，判断失效情况，来指导结构设计。 图 1 椅子 CAD 图 图 2 四连杆机构 二、 分析过程2.1 问题描述某汽车座椅的四连杆机构是一全新的设计，为了改进这一座椅系统四连杆机构的设计方案，通过建模控制整体的解题规模，并达到了优化设计的目的，建立了如下座椅系统Beam 模型。计算条件和简化情况如下：1、基于 Beam 单元建模；2、材料常数：泊松比 =0.3，弹性模量 206G
5、pa；3、四连杆机构采用弹塑性材料，其他的采用弹性材料；4、载荷的选取基于 LS-DYNA 的简化碰撞试验分析得到；5、解算器： Abaqus/Standard。2.2 分析步骤 步骤一 ：建立有限元模型座椅背板用尺寸单元 20mm 较粗的壳体单元模拟，其他用 Beam 单元建模。BEAM GENERAL SECTION 选项定义的 Beam 单元，不依赖于任何 MATERAL CARD，只适用线弹性材料。BEAM SECTION 选项定义的 Beam 单元，能够赋 Beam 单元弹塑性材料。特别对于四连杆机构，创建 Beam 单元使用 BEAM SECTION 选项，选用 ARBITRARY
6、 项，通过选择特征点构建截面，指定截面的形状和尺寸，并赋弹塑性材料， 而不使用 BEAM GENERAL SECTION 选项。四连杆机构要准确的计算它的截面常数，因为只能创建等截面的 Beam 单元，所以把结构件尽可能多的划分截面，就能得到最理想的结果。 图 3 四连杆机构杆件 1 图 4 杆件 1 有限元模型图 5 杆件 1 BEAM SECTION 卡杆件 1 的截面是一种规则的截面，用同一截面 Beam 单元就能模拟，杆件 1 用十个Beam 单元 B31 模拟。注意 Beam 单元要通过局部坐标系的原点，见图 5。图 6 四连杆机构杆件 2 图 7 杆件 2 有限元模型 杆件 2 的
7、截面是一种不规则的截面，杆件用多个不同截面 Beam 单元来模拟，杆件 2用十个 Beam 单元 B31 模拟。座椅的其他部件都采用上述方法模拟，计算截面建立如下模型。整个模型总计 2884 个单元，节点数为 2817。图 8 座椅的有限元模型 步骤二：定义材料性质四连杆机构采用弹塑性的 J2340_550XF 材料，背板的壳体单元和其他部件的 Beam 单元都赋给弹性材料。弹塑性材料 J2340_550XF 的应力与应变图如下：图 9 J2340_550XF 的应力与应变图步骤三：载荷的确定先用 LS-DYNA 进行碰撞试验分析，这一计算主要为了得到每个安全带作用点的载荷，用刚体来模拟座垫和
8、靠背，设置碰撞试验模型，得到每点的载荷。这样提取得载荷接近于碰撞试验数据。 图 10 座垫和靠背刚体模拟图 图 11 碰撞试验分析载荷 步骤四：用 ABAQUS 进行座椅碰撞试验分析在 ABAQUS 的 Beam 模型中，在安全带固定点施加载荷。并施加边界条件。在这里我们关心 Recliner 部件的螺栓的截面力和扭矩。四连杆机构杆件的截面力，弯矩和截面应变。 图 12 ABAQUS 的碰撞试验有限元模型 图 13 碰撞试验分析的四连杆机构在 OUTPUT 中输出下面内容：a. reaction forces (RF)b. beam section force and moment (SF,
9、SM)c. beam section strain (SE)步骤五：分析运算解算器选取 Abaqus/Standard。使用本文的简化模型可以用很少的一维单元来模拟椅子，故计算速度比用 LS-DYNA 分析的碰撞试验模型快很多。一个模型在一小时内即可完成。 三、 结果分析在最大在 100%载荷情况下，变形图。ISO view Side view Top view Front view图 14 椅子变形图（100% Load）椅子的 Recliner 部位是一关键部位，Recliner 部位的螺栓在碰撞试验中要承受很大的扭矩。关注 Recliner 部位的螺栓的扭矩值，这是评定椅子的一个重要数据
10、。图 15 recliner beam图 16 Recliner Bolts Forces 这里给出中间四连杆机构杆件的分析。通过观察在 100%载荷下的变形情况，机构没有失稳。这里四杆件厚度均为 3.5 mm 。Origin Deformation 图 17 中间四连杆机构的变形图（100% Load ）再取中间的四连杆机构中的一部件进行简要分析。 图 18 middle lower link bracket 图 19 截面图所示截面特性：A= 343.15 (mm2) y1=20, z1=33.5;Iy= 87524.5 (mm4) y2= 17.7, z2= 0;Iz= 85235.4
11、(mm4) y3=-17.7, z3= 0;Iyz= 0 (mm4)在 dat 文件中可得到此截面在 100%载荷下的截面力：Axial Force: N = 129660 ;Torque x: T = 5.0889E+06 ;Moment y: My = 2.0116E+05;Moment z: Mz = 3294.也可算出各点的应力： 通过得到的数据，运用材料力学知识计算，可以评估四连杆机构的性能。本试验中此杆件没有失效和失稳。随着对模型结构进行改进，可以得到更精确的模型。改变四连杆的杆件厚度和截面形状，通过模型分析，得到合理的初次设计。四 、结论1、仔细分析椅子零部件的几何结构，选取恰当的截面，建立 Beam 单元，是模型构建的关键。Beam 单元简化模型，应考虑与椅子实际结构的相符性。2、这种 Beam 单元简化模型分析方法有明显的优越性。 Beam 模型即降低了模型规模，且容易收敛，减少了计算时间，同时又保证一定的准确度。3、通过本次分析，我们能够体会得到 Abaqus 软件 Beam 单元简化模型可以用于初期设计的方案选择。简化模型可以优化设计，节省设计成本。可以定性的指导设计，改进设计方案。
