汽车座椅的三维建模及模态分析.docx

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汽车座椅的三维建模及模态分析

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GB10000-88《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

身长

1688

1586

肩窄宽

426

392

眼高

1585

1480

臀宽

334

395

肩高

1421

1320

下肢前伸长

1016

977

坐姿身高

897

849

大腿长

422

409

坐姿眼高

794

743

小腿长

401

369

肘到坐平距离

245

239

足高

71

66

上肢前伸长

731

689

膝臀间距

551

525

大臂长

269

261

大腿平长

433

432

小臂长

247

226

膝上到足底距离

515

480

手长

193

179

膝弯到足底距离

406

383

前伸长

731

689

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。

2、座宽：

一般轿车的驾驶员及前排座椅宽度取480-520mm。

3、座深：

指在座椅中心平面上，坐垫前缘的垂直切线至坐垫最后端线的距离。

该尺寸不能太大。

一般轿车驾驶员及前排座椅深度取400-420mm，对于微车，只需满足一般正常的需求并考虑到成本取300mm即可。

4、座面倾角：

指座面与水平面所夹角度。

因此倾角不能太大，一般为5°~15°，综合以往经验取倾角为10°。

5、靠背：

靠背的设计主要指强度设计和造型设计，设计时应使靠背的高度

符合人体曲线。

设计时，靠背的高度和宽度一般分别为600mm和480mm。

轿车为80°～170°。

根据经验和标杆车数据确定倾角为80°~110°。

6、座椅骨架：

座椅骨架主要包括靠背骨架和坐垫骨架两部分，通常采用直径为20-25mm，壁厚为1-2mm的电焊钢管或无缝钢管弯曲成型方法制造；也可采用1-3mm厚的钢板冲压或滚扎成型的方法制造。

出于成本的考虑，本课题采用直径22mm，壁厚为1mm的钢管焊接而成。

2 汽车座椅的结构设计

2.1底座的初始建模

进入Catia零部件作图区，先选择XY面进入草图，作图过程如下：

（1）先做正方形

图2.1草图

（2）生成体

图2.2正方体

（3）剪切

图2.3剪切图

（4）画出要剪切凹槽的曲线 

图2.4凹槽曲线

（5）画出凹槽 

图2.5凹槽

图2.6凹槽定义图框

图2.7抽壳定义框

（6）生成底座并以CATPart格式导出命名为lianjie1.CATPart

图2.8底座正面

图2.9底座反面

2.2连接板及螺钉的创建

图2.10挡板曲线

图2.11挡板实体

创建螺钉时先建个正六边形，再拉伸成实体作为螺钉大头，最后再建个圆面再拉伸成实体，

图2.12螺钉

生成后均命名为lianjie2.CATPart

2.3靠背的初始建模

同零件一先进入草图创建初始形状

图2.13草图

图2.14

图2.15画弹簧

图2.16弹簧

图2.17靠背

生成后以lianjie3.CATPart保存

3汽车座椅的装配

依次导入零件123，用连接件及螺钉将靠背和底座连接到一起：

图3.1装配

图3.2装配

装配完成后导出文件，以.spt格式保存，命名为Product.spt。

4汽车座椅的ANASYS分析

4.1装配件的导入

首先打开ansys12.0中的workbench软件生成界面，打开Modal（ansys）会生成如图所示界面:

图4.1软件界面

双击Geometry会弹出一个新的界面，再其中导入已命名的Product.spt，如下图：

图4.2导入后图形

此时可以关闭窗口，完成导入工作。

4.2装配件的分析过程

此时回到首界面，双节Setup，此时需要等待一段时间让其自动导入实体，导入后划分网格，点击mesh后结果如图：

图4.3划分网格

然后在Solution右键导入整体，在AnalysisSettings中设置最大阶数为20，，开始分析。

4.3装配件的分析结果

因设定材料结构为钢结构，弹性模量和泊松比为默认值，所以只要依次改变Mode中的阶数值从1-15开始查看分析结果，其图形依次如下：

第一阶：

图4.4第一阶

第二阶：

图4.5第二阶

第三阶：

图4.6第三阶

第四阶：

图4.7第四阶

第五阶：

图4.8第五阶

第六阶：

图4.9第六阶

第七阶：

图4.10第七阶

第八阶：

图4.11第八阶

第九阶：

图4.12第九阶

第十阶：

图4.13第十阶

第十一阶：

图4.14第十一阶

第十二阶：

图4.15第十二阶 

第十三阶：

图4.16第十三阶

第十四阶：

图4.17第十四阶

第十五阶：

图4.18第十五阶

以上为主振型阶数为15的全部图形，其中在1-3阶时整体变形不大，从第四阶开始有明显的图形变换，直到第七阶开始靠背的弹簧开始严重变形，直到第十一阶，也是弹簧变形最大的地方，此后的阶数为整体变形。

图4.19全部变形细节

此图为整体十五阶主振型数据：

图4.20变形图标

图4.21数据表格

至此分析结束。

结果分析：

因在设计座椅是首先要保证人体垂直方向最敏感的频率范围4-12Hz处于减振区。

如按“人体-座椅”单自由度来考虑，其固有频率fs=3Hz，在选择固有频率时，还要避开于车身部分的固有频率fo重合，这对平顺性不利。

车身部分的固有频率fo一般在1.2-2Hz这个范围内，因此“人体-座椅”单自由度系统固有频率要选在3Hz左右。

考虑到人体的减震效果，世纪衰减的频率范围向低扩展，一次fs可选的高一些。

由此，出第一阶0Hz外，要避开第一第二阶，以免发生共振，对人体舒适度造成严重影响，除后续频率在20Hz以上的引起座椅严重变形的之外，以第六阶最为合适，因此在设计座椅时应在此范围内。

问题讨论：

重点在ansys中的workbench的使用发面发生问题，因此软件在此之前没有接触过，所以对其应用很是迷茫。

最终解决方法是经过很多过程综合解决的，最开始是在图书馆借阅很多有关的书籍，查找相关说明，其次也在网络上搜寻了对其的教学视频，这个很有帮助，实际操作过程很是详细，很有帮助，最终是在同学之间的探讨中掌握其基本应用。

5 参考文献

[1]刘相新，孟宪颐.ANSYS基础与应用教程.科学出版社.2006.

[2]谢龙汉.CATIAV5cad快速入门.清华大学出版社.2005.

[3]马铁林，刘海桥.从零开始-CATIA机械设计基础培训教程.2004.

[4]优酷.WORKBENCH.视频教学.流体模型.