汽车座椅的四连杆机构有限元分析
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
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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μ=0.3，弹性模量 206Gpa；
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, 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。
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 (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。