基于ABAQUS的汽車座椅塑料件有限元分析

1、基于ABAQUS的汽車座椅塑料件有限元分析作者：霍夫汽車設(shè)計(jì)北京有限公司 劉明卓 來(lái)源：汽車制造業(yè)汽車座椅塑料件的現(xiàn)狀與發(fā)展伴隨著汽車外形的變化，座椅也發(fā)生了很多變化，從開(kāi)始類似于沙發(fā)的汽車座椅發(fā)展到現(xiàn) 在功能齊全的座椅，這與汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展和科技成果的不斷發(fā)明、運(yùn)用是分不開(kāi)的， 這其中又以塑料件的運(yùn)用最為突出。據(jù)2005年歐洲車用材料構(gòu)成表顯示，塑料材料的應(yīng)用比重約占整車的10%，如圖1所示。而在汽車座椅上，所有塑料件的比重也約占到座椅 總比重的12%，其他用到塑料件的汽車部位還包括保險(xiǎn)杠、儀表板、裝飾件和內(nèi)飾件等。10%fl嚷顒甜 口啊 錯(cuò)跌 膠兀葩奮壇粘欝播、油謹(jǐn).虜隅警圖1 2005

2、年歐洲車用材料構(gòu)成表之所以塑料件會(huì)得到如此廣泛的應(yīng)用，主要是由于塑料件具有以下優(yōu)點(diǎn):1. 質(zhì)量比其他結(jié)構(gòu)件要輕很多，可以滿足汽車輕量化的要求；2. 具有良好的防銹功能，外型美觀大方；3. 具有吸震功能，可以較大幅度地提高汽車座椅的舒適性、減少噪音；4. 塑料件可塑性比較強(qiáng)，因而設(shè)計(jì)的自由度大，可以制作出各種各樣復(fù)雜的樣件；5. 成型性好，可以降低零件數(shù)目等。所有這些優(yōu)點(diǎn)都使得塑料件在汽車座椅以及整車上的比重逐步加大，同時(shí)對(duì)塑料件性能、 強(qiáng)度等方面的測(cè)試也提出越來(lái)越高的要求。有限元分析在汽車座椅塑料件上的作用和意義作為零部件廠商，積極并有效地使用 CAX工具，對(duì)降低試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、減少開(kāi)發(fā)及制造成本有

3、 著重要意義。經(jīng)證實(shí)，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)概念階段及設(shè)計(jì)初期，有限元分析的介入可以盡早發(fā)現(xiàn)和避免設(shè)計(jì)缺 陷，避免了后期的設(shè)計(jì)更改所帶來(lái)的巨大的人力和物力的再投入，從而節(jié)省大量的時(shí)間及 開(kāi)發(fā)成本。無(wú)論是大企業(yè)還是小企業(yè)，以工程分析推動(dòng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的理念都是不可缺少的， 通過(guò)科學(xué)的數(shù)學(xué)計(jì)算輔助認(rèn)證設(shè)計(jì)、規(guī)范產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，是提高企業(yè)設(shè)計(jì)水平、提高行業(yè) 開(kāi)發(fā)能力、增強(qiáng)產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，使我國(guó)由簡(jiǎn)單的制造大國(guó)向有技術(shù)能力的制造加設(shè)計(jì)大 國(guó)轉(zhuǎn)變道路中至關(guān)重要的一步。隨著CAE技術(shù)的不斷發(fā)展，目前的汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)已經(jīng)逐步用有限元分析取代了原有粗糙的 手工計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬分析，在設(shè)計(jì)初期就能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免了大量的

4、樣 件制作和產(chǎn)品試驗(yàn)，既縮短了設(shè)計(jì)周期，也極大地降低了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本，提高了經(jīng)濟(jì)效 益。另一方面，每一款新的汽車座椅都需要通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)的測(cè)試以達(dá)到各個(gè)方面安全性能 的要求，只有這樣才能保證汽車座椅在投入市場(chǎng)之后的安全性。但做物理實(shí)驗(yàn)需要具備先 進(jìn)的設(shè)備、功能齊全的實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)還需要生產(chǎn)大批量的樣件，這些無(wú)疑加大了產(chǎn)品開(kāi)發(fā) 的成本和風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，而有限元分析通過(guò)合理的模擬，可以在物理實(shí) 驗(yàn)進(jìn)行之前給出一個(gè)定性的結(jié)論，從而大大提高了物理實(shí)驗(yàn)的成功率。ABAQUS在汽車座椅塑料件有限元分析的應(yīng)用本研究選用HYPER WORKS 作為前后處理工具，ABAQUS求解器對(duì)汽車座椅塑料件進(jìn)行

5、 有限元分析。HYPERMESH 軟件是美國(guó)Altair公司的產(chǎn)品，是世界領(lǐng)先的、功能強(qiáng)大的 CAE應(yīng)用軟件包，也是一個(gè)創(chuàng)新、開(kāi)放的企業(yè)級(jí)CAE平臺(tái)，它集成了設(shè)計(jì)與分析所需的各種工具，具有強(qiáng)大的性能以及高度的開(kāi)放性、靈活性和友好的用戶界面。在CAE領(lǐng)域,HYPERMESH最著名的特點(diǎn)是它所具有的強(qiáng)大的有限元網(wǎng)格前處理和后處理功能。一般來(lái)說(shuō)，CAE分析工程師80 %的時(shí)間都花費(fèi)在了有限元模型的建立和修改上，而真正的分析 求解時(shí)間是消耗在計(jì)算機(jī)工作站上的。所以采用一個(gè)功能強(qiáng)大，使用方便靈活，并能夠與 眾多CAD系統(tǒng)和有限元求解器進(jìn)行方便的數(shù)據(jù)交換的有限元前后處理工具，對(duì)于提高有限元分析工作的質(zhì)量和

6、效率具有十分重要的意義。同時(shí)HYPERMESH支持很多不同的求解器輸入輸出格式，這樣在利用HYPERMESH 劃分好模型的有限元網(wǎng)格后，可以直接把計(jì)算模型轉(zhuǎn)化成不同的求解器文件格式。ABAQUS是國(guó)際上最先進(jìn)的大型通用非線性有限元分析軟件之一，它是一套功能強(qiáng)大的工程模擬的有限元軟件，其解決問(wèn)題的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問(wèn)題。ABAQUS包括一個(gè)豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫(kù)。并擁有各種類型的材料模型庫(kù)， 可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復(fù)合材料等。作為通用的模擬工具，ABAQUS除了能解決大量結(jié)構(gòu)（應(yīng)力 /位移）問(wèn)題，還可以模擬其他工程 領(lǐng)域的

7、許多問(wèn)題，例如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散、熱電耦合分析及壓電介質(zhì)分析。ABAQUS被廣泛地認(rèn)為是功能最強(qiáng)的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠 駕馭非常龐大復(fù)雜的問(wèn)題和模擬高度非線性問(wèn)題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場(chǎng)的分析，同時(shí)還可以做系統(tǒng)級(jí)的分析和研究。由于ABAQUS優(yōu)秀的分析能力和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性使得 ABAQUS被各國(guó)的工業(yè)和研究中所廣泛的采用。ABAQUS有兩個(gè)主求解器模塊：ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit。圖2帶塑料檔板的座椅本文以某汽車座椅的塑料檔板件為例（見(jiàn)圖2），結(jié)合HYPER WORKS 軟件、ABAQUS

8、/Sta ndard 求解器對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性能的有限元分析，并與物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn) 一步闡述本研究的準(zhǔn)確性和可行性。此塑料件實(shí)驗(yàn)要求：零件在承受200N載荷下不破壞,位移不能超過(guò)20mm。本研究沿用通用有限元分析，具體步驟如圖3所示。在HYPERMESH 前處理環(huán)節(jié)中，先將 CAD數(shù)模以IGS或STEP文件格式導(dǎo)入 HYPERMESH 軟件中開(kāi)始建模。在建模環(huán)節(jié)中，對(duì)CAD的幾何體進(jìn)行適當(dāng)?shù)那謇?，隨后按照幾何體的形狀，用殼體和固體單元形式把數(shù)模表述出來(lái)，然后對(duì)每一個(gè)零件賦予材料 和厚度。此塑料件的材料參數(shù)如表1所示。表1塑料件材料參數(shù)MJ.-:IKA.H 1M通過(guò)HYPERMESH 中的CON

9、STRAINS 菜單對(duì)模型進(jìn)行邊界條件的約束，通過(guò)LOADSTEPS菜單對(duì)模型進(jìn)行載荷的加載， 主要包括每一加載步驟的輸出參數(shù)，如監(jiān)視點(diǎn)的位移,所有單元的應(yīng)力，應(yīng)變等等，如圖4所示。最后一步，導(dǎo)出適用于求解器求解格式的文件。11*1iWiriih i rn T眩非呻1 I Fi iF-lflI弭沖UI刪W q i :art431 triF-n最皮的輕性應(yīng) 力為31, 13町陽(yáng)圖4在ABAQUS求解器求解環(huán)節(jié)中，將把 HYPERMESH 中導(dǎo)出的以.K或.INP結(jié)尾的運(yùn)算文 件，放在運(yùn)算文件夾中，然后打開(kāi) ABAQUS求解器前臺(tái)求解界面（DOS窗口），輸入命 令：ABAQUS JOB=文件名.K

10、，然后回車就可以進(jìn)行計(jì)算了。經(jīng)過(guò)ABAQUS求解器求解，將生成的.fil文件轉(zhuǎn)化成.res文件，在HYPERVIEW 中讀取。 發(fā)現(xiàn)在200N載荷下，最大應(yīng)力為31.13Mpa，與表1的材料屬性對(duì)比發(fā)現(xiàn)已經(jīng)接近材料破 壞應(yīng)力值，變形比較大，如圖5所示。r 2MJS 卜帕應(yīng)璽罔番耳、5EK3G1J2S0KM-UE*S-刊H： JMtl%ir 口s j q 4E-Of#nss右FC圈xWj*W“ 變?yōu)?5.63塑料件的最大應(yīng)變值為15.63%，已經(jīng)超過(guò)了極限應(yīng)變15.4%。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可以推斷這個(gè)圖6塑料件的局部區(qū)域已經(jīng)破壞，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，如圖6所示。物理試驗(yàn)表明在施加 200N的載荷下，

11、塑料件已經(jīng)破壞，且破壞區(qū)域與有限元分析結(jié)果非常吻合，如圖7所示。另外幾個(gè)相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)，是分別對(duì)塑料件的同一個(gè)區(qū)域施加50N和100N的載荷并測(cè)量施力點(diǎn)的位移量，然后用有限元進(jìn)行模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者的結(jié)果非常的接近，具體數(shù)據(jù)如表2所示。表2物理試驗(yàn)與有限元結(jié)果對(duì)比表物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果10.82mI9h有限元分析SUB10.16m1 乩 50mm結(jié)束語(yǔ)通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)汽車座椅塑料件進(jìn)行有限元分析，可以模擬接近真實(shí)的環(huán)境，并得 到接近物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)零件的設(shè)計(jì)和改進(jìn)有著非常重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義，為物 理實(shí)驗(yàn)的成功提供了有力的保障。為此，通過(guò)以往的經(jīng)驗(yàn)可以總結(jié)出一些對(duì)ABAQUS求解結(jié)果影響比較

12、大的因素，主要包括塑料件的材料屬性、模型的邊界條件（約束）、加力 點(diǎn)的位置及加力區(qū)域、模擬結(jié)構(gòu)的合理性等。進(jìn)行環(huán)境模擬時(shí)，應(yīng)充分考慮以上因素，從 而使有限元分析得到的結(jié)果更加真實(shí)、準(zhǔn)確。（en d）出師表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此誠(chéng)危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報(bào)之于陛下也。誠(chéng)宜開(kāi)張圣聽(tīng)，以光 先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司論其刑賞，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使內(nèi)外異法也。侍中、侍郎郭攸之、費(fèi)祎、董允等，此皆良

13、實(shí)，志慮忠純，是以先帝簡(jiǎn)拔以遺陛下：愚 以為宮中之事，事無(wú)大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補(bǔ)闕漏，有所廣益。將軍向?qū)?，性行淑均，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱之曰能”是以眾議舉寵為督：愚以為營(yíng)中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所。親賢臣，遠(yuǎn)小人，此先漢所以興隆也； 親小人，遠(yuǎn)賢臣，此后漢所以傾頹也。 先帝在時(shí), 每與臣論此事，未嘗不嘆息痛恨于桓、 靈也。侍中、尚書(shū)、長(zhǎng)史、參軍，此悉貞良死節(jié)之臣， 愿陛下親之、信之，則漢室之隆，可計(jì)日而待也 二臣本布衣，躬耕于南陽(yáng)，茍全性命于亂世，不求聞達(dá)于諸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉 屈，三顧臣于草廬之中，咨臣以當(dāng)世之事，由是感激，遂許先帝以驅(qū)馳。后值傾覆，受任于 敗軍之際，奉命于危難之間，爾來(lái)二十有一年矣。先帝知臣謹(jǐn)慎，故臨崩寄臣以大事也。受命以來(lái)，夙夜憂嘆，恐托付