汽车驾驶员座椅强度及安全性分析
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重庆大学 硕士学位论文 汽车驾驶员座椅强度及安全性分析 姓名：吴瑜 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：徐中明
2010-04
重庆大学硕士学位论文
中文摘要
摘要
近年来，随着我国汽车工业的快速发展，人们对汽车安全性方面的要求越来 越高。汽车的安全性已经成为当今汽车研究的三大主题之一。作为汽车的重要组 成部分，座椅在为乘员提供舒适乘车环境的同时，也起到了决定性的保护作用， 从而成为汽车安全性研究中的重要部件。对汽车座椅进行合理设计可减轻事故发 生时对乘员的伤害程度。 汽车座椅的安全性设计目标就是尽可能避免座椅结构破 坏和功能失效情况的发生。与安全性相关的研究主要围绕座椅的静强度、冲击强 度以及疲劳强度的分析。
总体上数据采集方法有非破坏式数据采集方法和破坏式数据采集方法其中破坏式数据采集方法主要是自动断层扫描技术而非破坏式数据采集方法有接触式和非接触式数据采集方法在国内常用的逆向数据采集方法为非破坏式主要有利用三3d扫描3dscanner高密度点云highintensitypointsclouds逆向工程软件reverseengineeringsoftware特征提取曲面构造surface测量误差分析erroranalysiscad设计建模cadmodelcae辅助分析caeanalysiscam辅助制造camchc加工chcmachining产品或模具product快速成型快速模具rapidprototypingcaeanalysis被测物体parts重庆大学硕士学位论文汽车座椅仿真模型的建立11坐标测量机数据采集激光数据采集和数码摄像图片方式数据采集282923cadcae相关软件介绍catia软件介绍伴随着逆向工程及其相关技术的理论研究的深入进行其成果的商业应用也受到重视而逆向工程技术的工程应用的关键是开发专用的逆向工程软件
Finally, the contents and conclusions are summed up. Also some advice on the improvement of the later research is given. The finite element simulation of automobile seat can be served as a reference and practical significance when designing and developing a seat of such a type.
Firstly, on the base of referencing a great deal of literature, the internal and external developing trends of automobile seat is investigated, and research and development status about safety is discussed, and application of FEM in studies on seat system are summarized. According to the principle of reverse engineering, the automobile seat’s 3D model is set up with CATIA software. Then by means of the finite element pre-processing software Hypermesh, the automobile seat’s FE model is established.
现代轿车已经不是一个单纯的运载工具，它已经是“人、汽车与环境”的组 合体，而且人们对车辆的配置要求越来越高，对乘坐的安全性、舒适性要求也日 益提高。座椅是集人机工程学、机械振动、控制工程等为一体的系统产品，并成 为汽车安全性研究中的重要部件。因此研究汽车座椅的结构特性与安全性不仅具 有理论意义，也具有实用价值[1]。
论文首先在阅读大量文献的基础上，考察了国内外汽车座椅发展及安全研究 的现状，概述了座椅系统的强度问题，以及有限元理论在座椅系统安全性研究中 的应用。根据逆向工程原理及三维建模软件 CATIA，构建了座椅的几何模型，并 利用有限元前处理软件 Hypermesh 建立了座椅的有限元模型，论述了座椅有限元 模型建立的过程。
图 1.2 汽车座椅头枕分类示意图 Fig.1.2 The sort of head restraint
2
重庆大学硕士学位论文
1 绪论
1.3 国内外汽车座椅发展及研究现状综述 1.3.1 国内外汽车工业的发展与现状
随着经济全球化、新技术革命和产业结构的调整，汽车产销量上升趋势已经 越来越明显。就我国而言，中国汽车市场的快速发展同中国经济的快速发展是密 不可分的，经过 20 年的改革开放，中国经济迅猛发展，汽车市场也随经济形势不 断壮大，自从 1992 年中国汽车年产量经过四十年时间达到第一个一百万辆以后， 增幅不断加快，等到第四、第五个一百万辆时，分别仅用了一年多的时间。2003 年中国的汽车销售量超过德国，跃居世界第三位。05 年中国的汽车销售量已经达 到 576 万辆，同第二位的日本仅有九万台的差距。特别是 2009 年，为应对国际金 融危机、确保经济平稳较快增长，国家出台了一系列促进汽车、摩托车消费的政 策，有效刺激了汽车消费市场，汽车产销呈高增长态势，首次成为世界汽车产销 第一大国。2009 年，汽车产销分别为 1379.1 万辆和 1364.5 万辆，同比增长 48.3 ％和 46.15％。其中乘用车产销分别为 1038.38 万辆和 1033.13 万辆，同比分别 54.11 ％和 52.93％；商用车产销为 340.72 万辆和 331.35 万辆，同比增长 33.02％和 28.39 ％。预计 2010 年中国汽车销量增长 15.2%，达到 1512 万辆。
1.2 汽车座椅的结构及类型
座椅作为汽车使用者的直接支承装置，在车厢部件中具有非同小可的重要性。 汽车座椅的主要功能是为驾驶者与乘坐者提供便于操纵、舒适、安全和不易疲劳 的座位。座椅设计时应同时满足以下五点基本要求：
① 座椅的合理布置； ② 座椅外形要符合人体生理功能； ③ 座椅应具有调节机构； ④ 座椅有良好的振动特性； ⑤ 座椅必须十分安全可靠； 汽车座椅的类型根据结构、用途及驾乘人员的不同，分为固定座椅和旋转座 椅、可调节座椅和不可调节座椅、可翻转座椅和不可翻转座椅、带减振的悬架座 椅和不带减振的汽车座椅以及专用汽车座椅等。其中悬架座椅又可分机械悬架座 椅和空气悬架座椅，可调节座椅又分为机械调节座椅、气动调节座椅和电动调节 座椅等[2]。 汽车座椅结构可分为靠背、头枕、坐垫、座椅总成与车身相连接的固定部件， 它们具有一定的表面形状，座面和靠背的外形曲线应与人体放松状态下的背部曲 线相吻合，乘员入座后座椅的表面形状与体压分布能使乘员的肌肉处于最放松的 状态，能支撑到腰椎部位，不会因血液循环不良而引起肢体麻木，长时间乘坐不 易感到疲劳。通过对座椅的前后上下、靠背的倾斜角度、头枕前后上下等位置的 有限调节，可以使大部分人处于舒适状态[3]。图 1.1 为汽车座椅的结构示意图。
参照我国相关标准并利用有限元分析程序 LS-DYNA 求解，完成了座椅下压 刚度仿真分析。之后对座椅进行了下压刚度试验，并对比试验与仿真分析结果， 表明下压刚度仿真分析和试验结果吻合较好，说明了有限元模型的可靠性、准确 性。应用大型有限元软件 MSC.Nastran 及 ABAQUS/Standard，参考 GB 15083-2006 和 GB 11550-1995，研究了座椅总成、靠背的静强度特性以及头枕的静态特性，并 运用有限元分析软件 LS-DYNA 对座椅头枕的动态特性进行了研究。经仿真分析发 现该座椅安全性能符合法规的要求后，利用 MSC.Fatigue 对座椅骨架疲劳特性进行 了分析，并找出了该座椅疲劳破坏点。
1
重庆大学硕士学位论文
1 绪论
图 1.1 汽车座椅的结构示意图 Fig.1.1 The schematic diagram of automobile seat
对于汽车座椅而言，头枕是座椅上一个重要附件。其作用是限制乘员头部相 对于躯干向后仰摆。汽车座椅头枕有几种典型的类型，包括头枕分离式座椅、头 枕整体式座椅以及嵌人式头枕座椅，如图 1.2 所示。随着汽车车速的增加，头枕对 人身安全日益重要。汽车一旦发生追尾碰撞，汽车受后面冲击力作用瞬间急速向 前，由于惯性作用乘员的头部却会突然向后仰，颈椎承受到很大的加速度力而容 易伤害。有了头枕承托，减少头部自由移动的空间就可以降低对颈椎的冲击力。
论文所有的仿真分析都是以在国内外制订的相关法规及标准为基础来展开， 并对比总结了大量文献， 对同类型座椅的开发研究与仿真分析具有一定的理论意 义和参考价值。
关键词：汽车座椅，有限元，静强度，吸能性，疲劳
I
重庆大学硕士学位论文
英文摘要
ABSTRACTБайду номын сангаас
In recent years, with rapid development of automotive industry in our country, more and more demand on automotive safety is put ting forward. Automobile safety has become one of the three major themes of automobile research. Being the important parts of the automobile, seat not only provides a comfortable traveling environment for passengers, but also plays a decisive role in the protection of people’s safety, thus it become an important component in automobile research. Reasonable design of the automobile seat when the accident occurred can reduce injury to the crew. The design purpose of automobile seat’safety is to try to avoid the occurrence of failure of security. And the research about seat safety concentrates on the analysis of static strength, impact strength and fatigue strength.
Then, according to the relevant laws and regulations about automobile seat, simulation on static stiffness was solved by finite element analysis software LS-DYNA. Through the relevant instrument, a bench test about static stiffness of seat was taken. Compared with the result of simulation and test, it showed that the model was Reliable and reasonable. Referring to GB 15083-2006 and GB 11550-1995, the seat assembly static strength、the seat back static Strength and the safety of head restrain were simulated by using finite element software MSC.Nastran and ABAQUS/Standard. Through simulation, the results revealed that the seat’s strength met requirement of relevant laws and regulations. And then, by means of software MSC.Fatigue, the fatigue properties of Seat frame was simulated, and the seat’s fatigue failure points was found.
II
重庆大学硕士学位论文
英文摘要
Keywords ： Automotive Seat, Finite Element, Strength, Energy Absorption Capacity, Fatigue.
III
重庆大学硕士学位论文
1 绪论
1绪论
1.1 引言
随着整体国民经济的发展，人们生活水平的提高，中国汽车工业有了较大的 发展。汽车及相关产业已成为国民经济的一个重要组成部分。与此同时，伴随汽 车产量、汽车保有量的明显增加，国民对汽车消费也日趋理性。
2010-04
重庆大学硕士学位论文
中文摘要
摘要
近年来，随着我国汽车工业的快速发展，人们对汽车安全性方面的要求越来 越高。汽车的安全性已经成为当今汽车研究的三大主题之一。作为汽车的重要组 成部分，座椅在为乘员提供舒适乘车环境的同时，也起到了决定性的保护作用， 从而成为汽车安全性研究中的重要部件。对汽车座椅进行合理设计可减轻事故发 生时对乘员的伤害程度。 汽车座椅的安全性设计目标就是尽可能避免座椅结构破 坏和功能失效情况的发生。与安全性相关的研究主要围绕座椅的静强度、冲击强 度以及疲劳强度的分析。
总体上数据采集方法有非破坏式数据采集方法和破坏式数据采集方法其中破坏式数据采集方法主要是自动断层扫描技术而非破坏式数据采集方法有接触式和非接触式数据采集方法在国内常用的逆向数据采集方法为非破坏式主要有利用三3d扫描3dscanner高密度点云highintensitypointsclouds逆向工程软件reverseengineeringsoftware特征提取曲面构造surface测量误差分析erroranalysiscad设计建模cadmodelcae辅助分析caeanalysiscam辅助制造camchc加工chcmachining产品或模具product快速成型快速模具rapidprototypingcaeanalysis被测物体parts重庆大学硕士学位论文汽车座椅仿真模型的建立11坐标测量机数据采集激光数据采集和数码摄像图片方式数据采集282923cadcae相关软件介绍catia软件介绍伴随着逆向工程及其相关技术的理论研究的深入进行其成果的商业应用也受到重视而逆向工程技术的工程应用的关键是开发专用的逆向工程软件
Finally, the contents and conclusions are summed up. Also some advice on the improvement of the later research is given. The finite element simulation of automobile seat can be served as a reference and practical significance when designing and developing a seat of such a type.
Firstly, on the base of referencing a great deal of literature, the internal and external developing trends of automobile seat is investigated, and research and development status about safety is discussed, and application of FEM in studies on seat system are summarized. According to the principle of reverse engineering, the automobile seat’s 3D model is set up with CATIA software. Then by means of the finite element pre-processing software Hypermesh, the automobile seat’s FE model is established.
现代轿车已经不是一个单纯的运载工具，它已经是“人、汽车与环境”的组 合体，而且人们对车辆的配置要求越来越高，对乘坐的安全性、舒适性要求也日 益提高。座椅是集人机工程学、机械振动、控制工程等为一体的系统产品，并成 为汽车安全性研究中的重要部件。因此研究汽车座椅的结构特性与安全性不仅具 有理论意义，也具有实用价值[1]。
论文首先在阅读大量文献的基础上，考察了国内外汽车座椅发展及安全研究 的现状，概述了座椅系统的强度问题，以及有限元理论在座椅系统安全性研究中 的应用。根据逆向工程原理及三维建模软件 CATIA，构建了座椅的几何模型，并 利用有限元前处理软件 Hypermesh 建立了座椅的有限元模型，论述了座椅有限元 模型建立的过程。
图 1.2 汽车座椅头枕分类示意图 Fig.1.2 The sort of head restraint
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重庆大学硕士学位论文
1 绪论
1.3 国内外汽车座椅发展及研究现状综述 1.3.1 国内外汽车工业的发展与现状
随着经济全球化、新技术革命和产业结构的调整，汽车产销量上升趋势已经 越来越明显。就我国而言，中国汽车市场的快速发展同中国经济的快速发展是密 不可分的，经过 20 年的改革开放，中国经济迅猛发展，汽车市场也随经济形势不 断壮大，自从 1992 年中国汽车年产量经过四十年时间达到第一个一百万辆以后， 增幅不断加快，等到第四、第五个一百万辆时，分别仅用了一年多的时间。2003 年中国的汽车销售量超过德国，跃居世界第三位。05 年中国的汽车销售量已经达 到 576 万辆，同第二位的日本仅有九万台的差距。特别是 2009 年，为应对国际金 融危机、确保经济平稳较快增长，国家出台了一系列促进汽车、摩托车消费的政 策，有效刺激了汽车消费市场，汽车产销呈高增长态势，首次成为世界汽车产销 第一大国。2009 年，汽车产销分别为 1379.1 万辆和 1364.5 万辆，同比增长 48.3 ％和 46.15％。其中乘用车产销分别为 1038.38 万辆和 1033.13 万辆，同比分别 54.11 ％和 52.93％；商用车产销为 340.72 万辆和 331.35 万辆，同比增长 33.02％和 28.39 ％。预计 2010 年中国汽车销量增长 15.2%，达到 1512 万辆。
1.2 汽车座椅的结构及类型
座椅作为汽车使用者的直接支承装置，在车厢部件中具有非同小可的重要性。 汽车座椅的主要功能是为驾驶者与乘坐者提供便于操纵、舒适、安全和不易疲劳 的座位。座椅设计时应同时满足以下五点基本要求：
① 座椅的合理布置； ② 座椅外形要符合人体生理功能； ③ 座椅应具有调节机构； ④ 座椅有良好的振动特性； ⑤ 座椅必须十分安全可靠； 汽车座椅的类型根据结构、用途及驾乘人员的不同，分为固定座椅和旋转座 椅、可调节座椅和不可调节座椅、可翻转座椅和不可翻转座椅、带减振的悬架座 椅和不带减振的汽车座椅以及专用汽车座椅等。其中悬架座椅又可分机械悬架座 椅和空气悬架座椅，可调节座椅又分为机械调节座椅、气动调节座椅和电动调节 座椅等[2]。 汽车座椅结构可分为靠背、头枕、坐垫、座椅总成与车身相连接的固定部件， 它们具有一定的表面形状，座面和靠背的外形曲线应与人体放松状态下的背部曲 线相吻合，乘员入座后座椅的表面形状与体压分布能使乘员的肌肉处于最放松的 状态，能支撑到腰椎部位，不会因血液循环不良而引起肢体麻木，长时间乘坐不 易感到疲劳。通过对座椅的前后上下、靠背的倾斜角度、头枕前后上下等位置的 有限调节，可以使大部分人处于舒适状态[3]。图 1.1 为汽车座椅的结构示意图。
参照我国相关标准并利用有限元分析程序 LS-DYNA 求解，完成了座椅下压 刚度仿真分析。之后对座椅进行了下压刚度试验，并对比试验与仿真分析结果， 表明下压刚度仿真分析和试验结果吻合较好，说明了有限元模型的可靠性、准确 性。应用大型有限元软件 MSC.Nastran 及 ABAQUS/Standard，参考 GB 15083-2006 和 GB 11550-1995，研究了座椅总成、靠背的静强度特性以及头枕的静态特性，并 运用有限元分析软件 LS-DYNA 对座椅头枕的动态特性进行了研究。经仿真分析发 现该座椅安全性能符合法规的要求后，利用 MSC.Fatigue 对座椅骨架疲劳特性进行 了分析，并找出了该座椅疲劳破坏点。
1
重庆大学硕士学位论文
1 绪论
图 1.1 汽车座椅的结构示意图 Fig.1.1 The schematic diagram of automobile seat
对于汽车座椅而言，头枕是座椅上一个重要附件。其作用是限制乘员头部相 对于躯干向后仰摆。汽车座椅头枕有几种典型的类型，包括头枕分离式座椅、头 枕整体式座椅以及嵌人式头枕座椅，如图 1.2 所示。随着汽车车速的增加，头枕对 人身安全日益重要。汽车一旦发生追尾碰撞，汽车受后面冲击力作用瞬间急速向 前，由于惯性作用乘员的头部却会突然向后仰，颈椎承受到很大的加速度力而容 易伤害。有了头枕承托，减少头部自由移动的空间就可以降低对颈椎的冲击力。
论文所有的仿真分析都是以在国内外制订的相关法规及标准为基础来展开， 并对比总结了大量文献， 对同类型座椅的开发研究与仿真分析具有一定的理论意 义和参考价值。
关键词：汽车座椅，有限元，静强度，吸能性，疲劳
I
重庆大学硕士学位论文
英文摘要
ABSTRACTБайду номын сангаас
In recent years, with rapid development of automotive industry in our country, more and more demand on automotive safety is put ting forward. Automobile safety has become one of the three major themes of automobile research. Being the important parts of the automobile, seat not only provides a comfortable traveling environment for passengers, but also plays a decisive role in the protection of people’s safety, thus it become an important component in automobile research. Reasonable design of the automobile seat when the accident occurred can reduce injury to the crew. The design purpose of automobile seat’safety is to try to avoid the occurrence of failure of security. And the research about seat safety concentrates on the analysis of static strength, impact strength and fatigue strength.
Then, according to the relevant laws and regulations about automobile seat, simulation on static stiffness was solved by finite element analysis software LS-DYNA. Through the relevant instrument, a bench test about static stiffness of seat was taken. Compared with the result of simulation and test, it showed that the model was Reliable and reasonable. Referring to GB 15083-2006 and GB 11550-1995, the seat assembly static strength、the seat back static Strength and the safety of head restrain were simulated by using finite element software MSC.Nastran and ABAQUS/Standard. Through simulation, the results revealed that the seat’s strength met requirement of relevant laws and regulations. And then, by means of software MSC.Fatigue, the fatigue properties of Seat frame was simulated, and the seat’s fatigue failure points was found.
II
重庆大学硕士学位论文
英文摘要
Keywords ： Automotive Seat, Finite Element, Strength, Energy Absorption Capacity, Fatigue.
III
重庆大学硕士学位论文
1 绪论
1绪论
1.1 引言
随着整体国民经济的发展，人们生活水平的提高，中国汽车工业有了较大的 发展。汽车及相关产业已成为国民经济的一个重要组成部分。与此同时，伴随汽 车产量、汽车保有量的明显增加，国民对汽车消费也日趋理性。