座椅骨架静强度分析方法
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杆 Ｃ、 Ｆ与座椅下滑轨和座垫为铰接 ， ｙ Ｅ、 沿 轴方 向可 自由转
３ 座 椅 骨架静 态 工况 分析
３ １ 座椅骨架基本 结构 ．
动； 由于座 垫左侧板有高 度调节 机构 ， 对左后 支撑 杆 Ｄ起 到 限位作用 ， 所以杆 Ｄ与座垫部 分不是 铰接 ， 有 Ｙ轴 转动 自 没 由度 。因此求 出各 连接点 与约 束点 的受力 情况 后 即可对各 零部件进行校核设计 。通过对 简化模型 的分 析 ， 可得 座椅骨 架各支撑脚 １２ ３ ４的受力情况 如式 （ ）一（ ） 示 ， 、、、 １ ４所 具体分
模拟研究和计算机仿真分析。在 以往 的座椅开 发过程 中， 座 椅的静强度检验主 要通过 物理试 验模拟 。然而 由于物理 试 验 的复杂性和不确定 性 ， 一旦 出现试 验失效 ， 需要 重新进 行
证成员乘坐舒适 ， 减轻疲 劳 的必要条 件 ， 也是汽 车安全 部件
之一 ， 在发生事故 时 ， 座椅可 以起到保护 乘员 、 免或减少伤 避 亡 的作用 Ｊ 。作为汽车重要 的结构安全部件 ， 汽车座椅必须
ｔ ｄ ｉ ｏ ａ ｏ ｔ ａ ｄ ｄ ｖ ｌｐ ｎ ｙ ｌ ．Ａｃ ｏ ｄ ｎ ｈ ｅ ｕ ｒｍｅ ｔ ｏ ｏ ｎ ｒ ｅ ｕ ａｉ ｎ ｎ ｈ ｏ ｄ ｃ ｎ ｉ ｉ ａ ｄ ｔ ｎ ｃ ｓｓ ｎ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔ ｃｅ ｌ ａ ｉ ｌ ｃ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｔ ｅ ｒ ｑ ｉｅ ｎ ｓ ｆｃ ｕ ｔｙ ｒｇ ｌ ｔ ｓａ ｄ ｔｅ ｌ ａ ｏ ｄ — ｏ ｏ ｔ ｎ ｆｓ ａ ｒ ｍｅ，ｂ ｓ ｄ ｏ Ｅ ｔｃ ｎ ｌｇ ，ｗ ｕ ｌ ｅｐ ｙ ｉ ａ ｄ ｌ ｓ ｐ ｒ ｓ ｓａｐ ｅ—ｔ ａｍｅ ｔ ａ ｄ ｉ ｓ ｏ ｅ ｔｆ ｏ ａ ａ ｅ ｎ Ｆ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｅ ｂ ｉ ｔ ｈ ｓｃ ｍｏ ｅ ，ｕ ｅ Ｈｙ ｅ ｍｅ ｈ ａ ｒ ｄｈ ｌ ｒ ｔ ｎ，ｎ ｅ ｕ ｅ Ａｂ ｑ ｓｆｒａ ａｙ ｉ ａｃ ｌ ｔ ｎ ａ ｄｐ ｓ —ｐ ｏ ｅ ｓｎ ｔ ｐ ｒ ｉｗ．Ｔ ｅ ａ ｃ ｒｃ ｆＦ ｈ ｏ ｇ ｃ ａ ｉｓａ ｓ ａ ｕ ｎ ｓｓｃ ｕ ａｉ ｎ ｏ ｔ ｒ ｃ ｓｉ ｇｗｉ Ｈｙ ｅｖ ｅ ｏ ｌ ｌ ｏ ｈ ｈ ｃ ｕ ａ ｙ ｏ ＥＡ ｔ ｒ ｕ ｈ ｍｅ ｈ ｎ ｃ —
析结果如表 １ 所示 。
座椅骨架的基本结构可 以分为椅 背和座 垫两部分 ， 以 现 某 型钣 金结构椅背来说明其构造 ， 图 ２所 示为座椅 骨架 的 如 基本 构造几何模型 ， 椅背 与座 垫通 过调 角器 连接 ， 背为钢 椅 管与钣金冲压件焊 接而成 。座 垫 四个 支撑 脚与 滑轨通 过铰 链 连接 ， 座垫 主要是 四杆 机构组合而成 。模 型 中省 略 了座垫 上对 座椅强度影响不大的 的弹簧机构 和一些 细小零件 ， 以便
ｎ ｌｓｓｉ ｅ ａ ｎ ｄ ａ ｄ ｔｅ ｓａｉ ｔｅ ｇｈ ｏ ｅ ｔｆａ ｄ ｌｉ ｅｔｄ ａｃ ｒｉｇ ｔ ｅ ｃｕ ｔ ｅ ｌｔ ｎ ． ａｙｉ ｓ ｘ ｍｉｅ ， ｎ ｈ ｔｔ ｓｒｎ ｆｓａ ｒｍｅ ｍｏ ｅ ｓ ｔｓｅ ｃｏｄｎ ｏ ｔ ｏ ｎｒ ｒｇ ａｉ ｓ ｃ ｔ ｈ ｙ ｕ ｏ
３ ２ 座椅 骨架静态Baidu Nhomakorabea工况 ．
按照 国家标准 ， 针对座椅结构 的静 强度要求 提出了两个 座椅设计 阶段 的静力学设计 工况 ， 图 ３所示 。工况 １主要 如 模拟头枕椅 背受 力 时座 椅骨 架 的受 力情 况 ， 椅靠 背 的 角 座 度、 高度调 节到设计标 准位 置 ， 在椅 背头枕 安装 部位 加载沿 椅背平面法 向 ２ ０ Ｎ的力 ， ５０ 设计 目标为保证椅背 变形量不超 过一定值 ， 且没有明显零部件损坏 。工 况 ２主要模 拟座垫 和
第 ８ 第８ ２卷 期
文章编号 ：０ ６—９４ （ ０ １ ０ ０ ０ １０ ３ ８ ２ １ ） ８— ３６—０ ４
计
算
机
仿
真
２１ 月 ０ 年８ １
座 椅 骨 架 静 强 度分 析 方 法
付 大成 ， 陈道 炯 ， 马 超
（ 上海理工大学机械工程学 院， 上海 ２０ ９ ） ００ ３
限元 分析的求解器 软件 。图 １ 运用 有 限元技 术 的座椅 骨 是 架 开发流程 。
座椅骨架几何设计模型建立（ 主要 由经验公式来设计尺、形状、厚 度等 ，用Ｕ 或ｃ １Ａ Ｃ Ａ１ 建模）
有限元模型建立与分析校核 （ 用用Ｈ ｐ ｒ ｅｈ ｙ ｅｍ ｓ前处理 ， Ｎ Ｓ ＲＡ 、Ａ ａ ｕ或Ｄ Ｎ 计 Ａ Ｔ Ｎ ｂｑｓ Ｙ Ａ 算 ）
摘要 ： 汽车座椅骨架 的结构静强度是影响座椅安全 和舒适性 的重要因素 ， 必须进行 静强度试验 ， 但是物理试验存在 复杂和不 确定性 ， 一旦出现试 验失效 ， 重复试验会增加大笔额外 开支和研发周期 。在分析 座椅骨架载荷基 础上 ， 根据 国家法规要 求 ， 通过有 限元技术进行了座椅骨 架静强 度仿真 。用 Ｈ ｐｒ ｅ ｙｅ ｓ ｍ ｈ对物理模 型进行 前处 理， ｂｑ ｓ Ａ ａｕ 软件进行 有 限元 分析计 算 ， Ｈ ｅｉ ｐｒ ｅ ｖ ｗ进行计算结果的后处理 ， 并按国家法规对座椅静强度要求对设计模 型进行 了检验 。基于多 种有限元软件 ， 以在 可 座椅骨架设计阶段就能快速有效地对设计结构进行验证 ， 以检验其合理性 。
收稿 日 ： １ ０ — １ 修回 日期 ： １ 一 ７— １ 期 ２ ０— ５ ３ ０ ２ ０ Ｏ ２ ０
． ．．— —
套工程软件环境 ， 主要包 括前后 处理有 关 的 Ｈ ｐｒ ｓ 、 ｙ ｙｅＭｅｈ Ｈ —
３ ６ ．— ０ － － —
ｐｒ ｉｗ、 ｙ ｅ ｒｐ ， ｙｅＭｅｈ作 为其 中的一个 模 块 ， ｅＶｅ Ｈ ｐｒ ａｈ等 Ｈ ｐｒ ｓ Ｇ 是 个 高性能的前处理 器 ， 具有 企业 界主 要 的 Ｃ Ｄ数 据格 式接 Ａ 口， Ｉ Ｅ 、ｔ 如 Ｇ Ｓ Ｓ ｐ等 ， 能 与 Ｕ Ｃ ＴＡ等 Ｃ Ｄ软件 实现 直 ｅ 还 Ｇ、 Ａ Ｉ Ａ 接数 据的转换 ， 可以减少 因为数据 转换 而造 成 的数据 损失 。 Ｈ ｐｒ ｓ ｙｅＭｅｈ包含一系列工具 ， 够很方 便地 整理 和改进 输入 能 的模 型 ， 提供 了合 理 的划 分 网格 与单 元 质 量跟 踪 检查 的工
（ ｏ ｅｅ ｆ ｃａｉ ｌ ｎｉｅｒ ｇ Ｕ ｉｅ ｉ ｆ ｈ ｎｈ ｒ ｃ ｎｅａｄＴ ｃ ｎｌ ｙ Ｓ ａｇ ａ ２０ ９ ，Ｃ ｉａ Ｃ ｌ ｇ ｈ ｎｃ ｇ ｅ ｎ ， ｎ ｒ ｔ ｏ ａｇｍ ｆ ｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ， ｈｎｈｉ ００ ３ ｈｎ ） ｌ ｏ Ｍｅ ａＥ ｎ ｉ ｖ ｓｙ Ｓ ｏＳ ｅ ｏ
具。Ａ Ａ Ｕ 是国际上最先进的大型通用有限元计算分析 ＢＱＳ
软件 之一 ， 是美 国 Ｈ Ｓ公司的产 品 ， 的非 线性力 学 （ Ｋ 它 几何 、
材料 、 接触 ） 析功能具有世界领先水平 ， 分 可以模拟 广泛 的材
座椅质心受力 时座 椅骨 架 的受 力情 况 ， 座椅 靠背 的角度 、 高
试验 ， 会增 加额 外开 支和研 发周期 。而结构设 计 的不合 理 ， 也 只有在试验 阶段 才能发 现 ， 这使得 座椅 的开发过 程很 长 ，
成本很高 。随着有 限元理论 的成熟 和 电子计算 机技术 的发
满 足严 格的动静 强度要求 。座椅在 承受 外部载荷 时 ， 主要受 力部件 是骨架 ， 而骨架表面 的蒙皮及软垫 等覆 盖物对外部 载
ＫＥＹＷ ＯＲＤＳ：Ｓ ａ ｒ ｍｅ；Ｆ ｅ ｈ ｏｏ ；Ｓ ａ ｉ ｓｒ ｎ ｈ ｅ ｔｆ ａ Ｅ ｔｃ ｎ ｌｇ ｙ ｔｔ ｔｅ ｇ ｃ ｔ
座椅安全性和可靠性的研究 方法主要有两个方 面 ： 验 试
１ 引 言
汽车座椅是汽车的基本装置 ， 为与驾驶员直 接接触 的 作 部件 ， 在舒适性 与安全性上起着 重要 的作用 。汽车 座椅是保
关键词 ： 座椅骨架 ； 有限元技术 ； 静强度 中图分类号 ：Ｈ１８ Ｔ ２ 文献标识码 ： Ａ
Ａｎ ｌ ｓｓＭ ｅｈ ｄ ｏ ｅ ｔＦｒ ｍ ｅ Ｓ ａ ｉ ｔｅ ｇ ｈ ａ ｙ ｉ ｔ ｏ ｆＳ ａ ａ ｔ ｔ Ｓ ｒ ｎ ｔ ｃ
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（） 况 １ ａ工
工况 ２ ａ
图 ３ 座 椅 骨 架 的 静 强 度 工 况
座椅动静态试验 （ 参考国家标准 和厂家标准和试验要求 ）
３ ３ 座椅 骨架的简化静 力学分析 ．
图 ４为座椅骨 架力 学分析 的简 化模 型。实验 工况 下调
图 １ 座 椅 骨 架 开 发 流 程
角器是 固定 的 ， 可将椅 背座 垫看 成一个 整体 ， 垫 四脚连接 座
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荷的分配很少。汽车座 椅的静 强度是 指座椅 承受 静态 载荷 的能力 ， 是影 响座椅 安全 和舒适性 的重 要 因素之一 ， 椅静 座
展， 座椅设计进入了一个新的时期。有限元方法 能够帮助对
座椅的安全性 进行仿 真分析 ， 指导座椅 的设计 。既可 以减 小 试验的不确定性 ， 可 以在设 计 阶段 ， 又 就能检 验 出座 椅 的结
构强度特性 ， 问题及时修改设计 。 发现
强度主要是研究座椅的骨架结构静强度 ， 即座椅骨 架在各种 受力情况下不失效 的能力 。
２ 有 限元工 程分析 方法
有 限元法工程分 析 的主要流程 有三个 阶段 ， 前处 理 、 分
析计算 和后 处 理。Ｈ ｐｒ ｒ 是 美 国 Ａｔｒ 司开 发 的成 ｙｅ ｋ Ｗｏ ｓ ｌｉ公 ａ
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度也调节到设计标 准位 置 ， 在座垫平 面中心加载 与座垫平 面 成 ４ 。 ５０ Ｎ的力 ， ５角 ００ 设计 目标与工况 １ 同。 相
料性 能。因此 ， 在座椅 骨架 静强 度分 析 中， 择 Ｈ ｐｒ ｒｓ 选 ｙｅＷｏｋ 作 为有限元模型 的前后 处理 软件 工具 ， 用 Ａ ￣ｕ 作 为有 选 ｂ ｓ
３ 座 椅 骨架静 态 工况 分析
３ １ 座椅骨架基本 结构 ．
动； 由于座 垫左侧板有高 度调节 机构 ， 对左后 支撑 杆 Ｄ起 到 限位作用 ， 所以杆 Ｄ与座垫部 分不是 铰接 ， 有 Ｙ轴 转动 自 没 由度 。因此求 出各 连接点 与约 束点 的受力 情况 后 即可对各 零部件进行校核设计 。通过对 简化模型 的分 析 ， 可得 座椅骨 架各支撑脚 １２ ３ ４的受力情况 如式 （ ）一（ ） 示 ， 、、、 １ ４所 具体分
模拟研究和计算机仿真分析。在 以往 的座椅开 发过程 中， 座 椅的静强度检验主 要通过 物理试 验模拟 。然而 由于物理 试 验 的复杂性和不确定 性 ， 一旦 出现试 验失效 ， 需要 重新进 行
证成员乘坐舒适 ， 减轻疲 劳 的必要条 件 ， 也是汽 车安全 部件
之一 ， 在发生事故 时 ， 座椅可 以起到保护 乘员 、 免或减少伤 避 亡 的作用 Ｊ 。作为汽车重要 的结构安全部件 ， 汽车座椅必须
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析结果如表 １ 所示 。
座椅骨架的基本结构可 以分为椅 背和座 垫两部分 ， 以 现 某 型钣 金结构椅背来说明其构造 ， 图 ２所 示为座椅 骨架 的 如 基本 构造几何模型 ， 椅背 与座 垫通 过调 角器 连接 ， 背为钢 椅 管与钣金冲压件焊 接而成 。座 垫 四个 支撑 脚与 滑轨通 过铰 链 连接 ， 座垫 主要是 四杆 机构组合而成 。模 型 中省 略 了座垫 上对 座椅强度影响不大的 的弹簧机构 和一些 细小零件 ， 以便
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３ ２ 座椅 骨架静态Baidu Nhomakorabea工况 ．
按照 国家标准 ， 针对座椅结构 的静 强度要求 提出了两个 座椅设计 阶段 的静力学设计 工况 ， 图 ３所示 。工况 １主要 如 模拟头枕椅 背受 力 时座 椅骨 架 的受 力情 况 ， 椅靠 背 的 角 座 度、 高度调 节到设计标 准位 置 ， 在椅 背头枕 安装 部位 加载沿 椅背平面法 向 ２ ０ Ｎ的力 ， ５０ 设计 目标为保证椅背 变形量不超 过一定值 ， 且没有明显零部件损坏 。工 况 ２主要模 拟座垫 和
第 ８ 第８ ２卷 期
文章编号 ：０ ６—９４ （ ０ １ ０ ０ ０ １０ ３ ８ ２ １ ） ８— ３６—０ ４
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２１ 月 ０ 年８ １
座 椅 骨 架 静 强 度分 析 方 法
付 大成 ， 陈道 炯 ， 马 超
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座椅骨架几何设计模型建立（ 主要 由经验公式来设计尺、形状、厚 度等 ，用Ｕ 或ｃ １Ａ Ｃ Ａ１ 建模）
有限元模型建立与分析校核 （ 用用Ｈ ｐ ｒ ｅｈ ｙ ｅｍ ｓ前处理 ， Ｎ Ｓ ＲＡ 、Ａ ａ ｕ或Ｄ Ｎ 计 Ａ Ｔ Ｎ ｂｑｓ Ｙ Ａ 算 ）
摘要 ： 汽车座椅骨架 的结构静强度是影响座椅安全 和舒适性 的重要因素 ， 必须进行 静强度试验 ， 但是物理试验存在 复杂和不 确定性 ， 一旦出现试 验失效 ， 重复试验会增加大笔额外 开支和研发周期 。在分析 座椅骨架载荷基 础上 ， 根据 国家法规要 求 ， 通过有 限元技术进行了座椅骨 架静强 度仿真 。用 Ｈ ｐｒ ｅ ｙｅ ｓ ｍ ｈ对物理模 型进行 前处 理， ｂｑ ｓ Ａ ａｕ 软件进行 有 限元 分析计 算 ， Ｈ ｅｉ ｐｒ ｅ ｖ ｗ进行计算结果的后处理 ， 并按国家法规对座椅静强度要求对设计模 型进行 了检验 。基于多 种有限元软件 ， 以在 可 座椅骨架设计阶段就能快速有效地对设计结构进行验证 ， 以检验其合理性 。
收稿 日 ： １ ０ — １ 修回 日期 ： １ 一 ７— １ 期 ２ ０— ５ ３ ０ ２ ０ Ｏ ２ ０
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软件 之一 ， 是美 国 Ｈ Ｓ公司的产 品 ， 的非 线性力 学 （ Ｋ 它 几何 、
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座椅质心受力 时座 椅骨 架 的受 力情 况 ， 座椅 靠背 的角度 、 高
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成本很高 。随着有 限元理论 的成熟 和 电子计算 机技术 的发
满 足严 格的动静 强度要求 。座椅在 承受 外部载荷 时 ， 主要受 力部件 是骨架 ， 而骨架表面 的蒙皮及软垫 等覆 盖物对外部 载
ＫＥＹＷ ＯＲＤＳ：Ｓ ａ ｒ ｍｅ；Ｆ ｅ ｈ ｏｏ ；Ｓ ａ ｉ ｓｒ ｎ ｈ ｅ ｔｆ ａ Ｅ ｔｃ ｎ ｌｇ ｙ ｔｔ ｔｅ ｇ ｃ ｔ
座椅安全性和可靠性的研究 方法主要有两个方 面 ： 验 试
１ 引 言
汽车座椅是汽车的基本装置 ， 为与驾驶员直 接接触 的 作 部件 ， 在舒适性 与安全性上起着 重要 的作用 。汽车 座椅是保
关键词 ： 座椅骨架 ； 有限元技术 ； 静强度 中图分类号 ：Ｈ１８ Ｔ ２ 文献标识码 ： Ａ
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图 ３ 座 椅 骨 架 的 静 强 度 工 况
座椅动静态试验 （ 参考国家标准 和厂家标准和试验要求 ）
３ ３ 座椅 骨架的简化静 力学分析 ．
图 ４为座椅骨 架力 学分析 的简 化模 型。实验 工况 下调
图 １ 座 椅 骨 架 开 发 流 程
角器是 固定 的 ， 可将椅 背座 垫看 成一个 整体 ， 垫 四脚连接 座
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展， 座椅设计进入了一个新的时期。有限元方法 能够帮助对
座椅的安全性 进行仿 真分析 ， 指导座椅 的设计 。既可 以减 小 试验的不确定性 ， 可 以在设 计 阶段 ， 又 就能检 验 出座 椅 的结
构强度特性 ， 问题及时修改设计 。 发现
强度主要是研究座椅的骨架结构静强度 ， 即座椅骨 架在各种 受力情况下不失效 的能力 。
２ 有 限元工 程分析 方法
有 限元法工程分 析 的主要流程 有三个 阶段 ， 前处 理 、 分
析计算 和后 处 理。Ｈ ｐｒ ｒ 是 美 国 Ａｔｒ 司开 发 的成 ｙｅ ｋ Ｗｏ ｓ ｌｉ公 ａ
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