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第2期机电技术汽车座椅骨架的CAE 分析及轻量化设计葛存啸黄键（福州大学机械工程自动化学院，福建福州350108）摘要：汽车座椅骨架是汽车座椅的重要组成部分，对其进行轻量化设计，对于节能和提高车辆的安全性和舒适性都十分重要。
文章对汽车座椅骨架进行了设计并绘制出主要部件的三维模型结构；运用Hypermesh 软件对骨架的CAD 模型进行了前处理，将经过前处理的模型导入Ansys Workbench ，并结合相关国家标准对设计的汽车座椅骨架进行了静强度分析、模态分析；使用不同的方法对不同零件进行轻量化设计，最终在保证座椅静强度以及模态频率需求的前提下使得座椅减重14.9%。
关键词：汽车座椅；CAE ；轻量化中图分类号：U463.83+6文献标识码：A文章编号：1672-4801（2020）02-103-04DOI:10.19508/ki.1672-4801.2020.02.029作者简介：葛存啸（1996—)，男，本科生，从事汽车CAD/CAE 、机械电子学习与研究。
汽车座椅作为整车约束系统的重要组件，能够提升驾驶员操作和驾驶的舒适性，同时可以确保驾驶员的安全。
我国汽车行业的快速发展使得人们对于汽车座椅的要求愈发严格，汽车座椅的设计制造已经涵盖了各种学科、各种领域[1]。
汽车座椅包括骨架、头枕和发泡材料等零部件，作为占汽车座椅总重一半以上且承担了绝大多数座椅功能的座椅骨架是整个汽车座椅系统中最核心的部件。
1汽车座椅骨架设计汽车座椅骨架尺寸参照现行国家标准GB11550—2009、GB15083—2006进行设计，汽车座椅靠背骨架的结构主要有管框结构、冲压钣金结构和管框钣金复合结构。
冲压钣金结构能够在保证强度的情况下，减少重量，降低成本。
管框结构骨架强度相比于冲压钣金结构低一些，且不易实现复杂功能；但由于其结构和制造工艺均比较简单，冲压模具投入少、成本低。
管框钣金复合结构与管框结构和冲压钣金结构相比较兼具强度高和成本低的特点，且能够在相对简单的制造工艺下实现比较复杂的功能，故本次设计采用管框钣金复合结构。
课程设计（论文）任务书目录一、CatiaV5R17实体建模过程1.汽车座椅骨架的尺寸测量2.用CatiaV5R17进行三维建模3.(1) 座椅靠背及靠枕的建模(2)座椅底座的建模(3)零件图的装配二、CatiaV5R17模型导入Ansys 12.0的过程三、Ansys12.0Workbench模态分析过程1.设置及网格划分2.不同阶振型下的总体变形3.不同阶振型下的总体变形四、结果分析及问题讨论五、参考文献一、Catia实体建模过程1.汽车座椅骨架的尺寸测量（单位：mm）(1).坐总高：910(2).靠背高*宽：650*470(3).靠背管子半径：10(4).靠枕高*宽:100*100(5).靠枕管子半径15（大）；10（小）(6).靠背下边大轴半径：15(7).底座宽度*高度：470*260(8).座椅管子半径：10具体细节尺寸见二维草图：2 .用CATIA V5 R17进行三维建模(1)座椅靠背及靠枕的建模选择一平面用曲线画出侧壁图形拉伸后在断点处画出拉伸半圆打孔(2)座椅底座的建模打开catia 开始→机械设计→→装配件设计→调入零件图靠背和座椅。
过配成图二、Catia模型导入Ansys 12.0的过程首先运行ansys12.0中的workbench工具，进入程序；在unsaved project-workbench中，依次选择utility menu>file>import导入文件，选择stp类型的catia模型文件“zuoyi”，点击“打开”在界面左侧工具栏，双击toolbox中的modal（ANSYS），在project schematic中找到B：modal（ANSYS）项目，双击geometry选项弹出新界面的同时，选择select desired length unit：meter。
在新界面B:Modal(ANSYS)-DesignModeler中，依次选择utility>file>Import ExternalGeometry File，选择stp类型的catia模型文件“zuoyi”，点击“打开”单击按钮Generate ，生成catia模型。
X YX-axis / Y-axis / Z-axis / Modal HammerNetwork /Power6.点击Modal Test按钮，核对屏幕测量显示信息.↗三向共振频率；↗三向相干性。
7.点击Start (F5)按钮开始试验.8.用模态锤敲击座椅靠背骨架顶端另一侧（X向）.↗敲击方向需平行加速度计测量方向；↗每个方向在同一位置敲击3次；↗每次敲击等待5秒间隔或直到每次敲击的曲线更新.9.三次试验数据被记录后点击Stop(F6)按钮.↗在第一阶模态频率上，相干性必须大于990m；↗在相干曲线屏幕上，曲线应该在5Hz之后接近直线.↗如果不行，重新开始Steps6 、7 & 8；↗在共振模态曲线屏幕上，鼠标找出第一个曲线波峰；↗记录右侧显示栏最大一阶共振频率。
10.重复Steps 6 to 8，测量Y/Z向共振频率。
Frequency ResponseH1(Response x,Force)- InputFrequency ResponseH1(Response y,Force)- InputFrequency ResponseH1(Response z,Force)- InputCoherence(Responsex,Force) - InputCoherence(Responsey,Force) - InputCoherence(Responsez,Force) - InputX-axis(fore/aft)Y-axis(lateral)。
1 汽车座椅的设计参数1.1 座椅的实体模型及相应参数各种设备和工具等设计对象在适合于人的使用方面，首先涉及的问题是适合人的形态和功能范围的限度。
例如，一切操纵设备都应设在人的肢体活动所能及的范围之内，其高低位置必须与人体相应部位的高低位置相适应，而且应尽可能设在人操作方面、反应最灵活的范围之内。
所以研究人体尺寸模型—用人体模型描述人体尺度是非常有必要的。
首先其座椅实体模型如下图：图1.1座椅实物图国家标准GB 10000-88《中国成年人人体尺寸》按照人机工程学的要求提供了我国成年人人体尺寸的基础数据。
标准中共给出了7类47项人体尺寸基本数据。
人体的主要尺寸包括身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长等6项。
根据有关统计数据，我国人体基本尺寸见如下表1-1表1-1我国人体基本尺寸单位：mm尺寸名称尺寸数值尺寸名称尺寸数值男女男女并且国家标准规定了不同身高等级的成年人坐姿功能尺寸设计的基本条件、功能尺寸、关节功能活动角度、设计图和使用要求。
主要用人体模版来设计和确定坐姿条件下的座椅、工作面、支撑面、调节配件配置是的功效学要求。
进行座椅设计，不能不考虑室内特定的范围和环境。
人体关节的舒适性是进行座椅设计的主要考虑因素。
图1-2表示的是人体各关节之间的关系。
下图1-2为舒适的坐姿关节角度图1.2舒适坐姿角度图1.2 座椅设计的主要要求以及参数座椅的设计要求：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，并能调整尺寸与位置，以保证乘坐稳定、舒适，操作方便；有良好的动态特性，以缓和与衰减有车身传来的冲击和振动，保证乘员能较长时间保持坐姿而不感到疲劳。
结构紧凑，外形与色彩应美观、大方，与车身内饰相协调，并尽可能减轻房量，降低成本，有良好的结构工艺性。
座椅设计的主要参数有：座垫深度、座垫宽度、座垫高度、座垫角度、座垫与靠背的夹角、靠背宽度、靠背高度。
1、椅面高度：椅面高度应使乘员员大腿接近水平、小腿自然放置，根据经验取高度为350mm。
基于有限元方法的汽车座椅模态分析与优化
王克飞;彭闪闪;李龙
【期刊名称】《荆楚理工学院学报》
【年(卷),期】2022(37)3
【摘要】为解决汽车座椅设计过程中可能出现的共振问题,改善座椅模态特性,利用HyperMesh建立了座椅仿真模型,利用OptiStruct对座椅模态特性进行了仿真分析,基于发动机怠速频率,提出座椅模态频率优化的目标,对比分析了4种优化方案的座椅模态特性。
结果表明:通过改善连杆结构,可以有效提升座椅第一阶模态特性;而加强上下连接板刚度,可以显著提升座椅第二阶模态特性;将两者组合,可获得更好的座椅综合模态特性。
【总页数】7页(P1-6)
【作者】王克飞;彭闪闪;李龙
【作者单位】安徽信息工程学院机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】U463.836
【相关文献】
1.基于有限元计算的模态优化设计方法
2.基于模态匹配的汽车座椅骨架模态分析与优化
3.基于有限元的汽车座椅刚度优化分析
4.基于模态参数及BAS-PSO优化算法的软基水闸有限元模型参数修正方法
5.基于ABAQUS的汽车座椅塑料件有限元分析与结构优化
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模态贡献量在客车后排座椅振动分析的应用叶松奎;侯亮;吴长风【摘要】针对某型客车后排座椅的振动问题,应用模态贡献量方法对频响函数进行分析,找到对结构振动贡献量大的模态.结构改进后,座椅的加速度均方根值显著减小,满足NVH性能要求.【期刊名称】《客车技术与研究》【年(卷),期】2018(040)004【总页数】4页(P28-30,33)【关键词】客车;后排座椅振动;频响函数;模态贡献量【作者】叶松奎;侯亮;吴长风【作者单位】厦门大学航空航天学院,厦门 361005;厦门金龙联合汽车工业有限公司,厦门 361023;厦门大学航空航天学院,厦门 361005;厦门金龙联合汽车工业有限公司,厦门 361023【正文语种】中文【中图分类】U461.4在对某型客车进行NVH性能主观评价时，发现怠速开空调工况下，其后排座椅及后部地板存在显著振动问题，腿部有明显发麻现象。
因此，首先对样车进行试验确定问题根源，然后结合有限元仿真分析进行整改［1－2］。
利用有限元研究车辆振动问题的诊断方法有很多，如模态贡献量分析［3－4］，传递路径分析［5－9］，阶次分析［10］等。
本文采用模态贡献量分析法分析各阶模态对振动响应的贡献量，从而找到对结构振动影响最大的模态并进行处理。
1 模态贡献量分析理论由振动力学理论可知，结构的振动响应与频响函数直接相关，而频响函数是其各阶模态的线性组合。
n自由度的强迫振动微分方程可表示为:式中:M为系统质量矩阵;C为系统粘性阻尼矩阵;K为系统刚度矩阵;f为强迫激励。
应用模态叠加法，推导得到频响函数阵ρ的表达式为［11］:式中:P为模态主振型矩阵;βs为第s阶模态作用系数。
则第s阶模态对响应的贡献量ηs可表示为:式中:ρi j为在自由度j激励，自由度i响应的频响函数矢量;βsxisxjs为第s阶模态的响应矢量;xis，xjs为第s阶模态自由度i及自由度j的模态位移矢量。
由式(3)可知，通过模态贡献量分析可以得到各阶模态对系统某个频率下频响函数的贡献量，从而识别对振动响应影响较大的模态。
