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)計北京有限公司 劉明卓 來源：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、運用是分不開的， 這其中又以塑料件的運用最為突出。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杠、儀表板、裝飾件和內(nèi)飾件等。10%fl嚷顒甜 口啊 錯跌 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: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，因而設(shè)計的自由度大，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，同時對塑料件性能、 強度等方面的測試也提出越來越高的要求。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，對降低試驗經(jīng)費、減少開發(fā)及制造成本有

3、 著重要意義。經(jīng)證實，在產(chǎn)品開發(fā)概念階段及設(shè)計初期，有限元分析的介入可以盡早發(fā)現(xiàn)和避免設(shè)計缺 陷，避免了后期的設(shè)計更改所帶來的巨大的人力和物力的再投入，從而節(jié)省大量的時間及 開發(fā)成本。無論是大企業(yè)還是小企業(yè)，以工程分析推動產(chǎn)品開發(fā)的理念都是不可缺少的， 通過科學(xué)的數(shù)學(xué)計算輔助認(rèn)證設(shè)計、規(guī)范產(chǎn)品設(shè)計流程，是提高企業(yè)設(shè)計水平、提高行業(yè) 開發(fā)能力、增強產(chǎn)品市場競爭力，使我國由簡單的制造大國向有技術(shù)能力的制造加設(shè)計大 國轉(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)計已經(jīng)逐步用有限元分析取代了原有粗糙的 手工計算和經(jīng)驗設(shè)計，通過計算機模擬分析，在設(shè)計初期就能發(fā)現(xiàn)問題，避免了大量的

4、樣 件制作和產(chǎn)品試驗，既縮短了設(shè)計周期，也極大地降低了產(chǎn)品開發(fā)的成本，提高了經(jīng)濟效 益。另一方面，每一款新的汽車座椅都需要通過物理實驗的測試以達到各個方面安全性能 的要求，只有這樣才能保證汽車座椅在投入市場之后的安全性。但做物理實驗需要具備先 進的設(shè)備、功能齊全的實驗室，同時還需要生產(chǎn)大批量的樣件，這些無疑加大了產(chǎn)品開發(fā) 的成本和風(fēng)險，延長了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，而有限元分析通過合理的模擬，可以在物理實 驗進行之前給出一個定性的結(jié)論，從而大大提高了物理實驗的成功率。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求解器對汽車座椅塑料件進行

5、 有限元分析。HYPERMESH 軟件是美國Altair公司的產(chǎn)品，是世界領(lǐng)先的、功能強大的 CAE應(yīng)用軟件包，也是一個創(chuàng)新、開放的企業(yè)級CAE平臺，它集成了設(shè)計與分析所需的各種工具，具有強大的性能以及高度的開放性、靈活性和友好的用戶界面。在CAE領(lǐng)域,HYPERMESH最著名的特點是它所具有的強大的有限元網(wǎng)格前處理和后處理功能。一般來說，CAE分析工程師80 %的時間都花費在了有限元模型的建立和修改上，而真正的分析 求解時間是消耗在計算機工作站上的。所以采用一個功能強大，使用方便靈活，并能夠與 眾多CAD系統(tǒng)和有限元求解器進行方便的數(shù)據(jù)交換的有限元前后處理工具，對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，可以直接把計算模型轉(zhuǎn)化成不同的求解器文件格式。ABAQUS是國際上最先進的大型通用非線性有限元分析軟件之一，它是一套功能強大的工程模擬的有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。ABAQUS包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫。并擁有各種類型的材料模型庫， 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）問題，還可以模擬其他工程 領(lǐng)域的

7、許多問題，例如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴散、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)雜的問題和模擬高度非線性問題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場的分析，同時還可以做系統(tǒng)級的分析和研究。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被各國的工業(yè)和研究中所廣泛的采用。ABAQUS有兩個主求解器模塊：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（見圖2），結(jié)合HYPER WORKS 軟件、ABAQUS

8、/Sta ndard 求解器對其進行相關(guān)性能的有限元分析，并與物理實驗進行對比，進 一步闡述本研究的準(zhǔn)確性和可行性。此塑料件實驗要求：零件在承受200N載荷下不破壞,位移不能超過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 軟件中開始建模。在建模環(huán)節(jié)中，對CAD的幾何體進行適當(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，然后對每一個零件賦予材料 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HYPERMESH 中的CON

9、STRAINS 菜單對模型進行邊界條件的約束，通過LOADSTEPS菜單對模型進行載荷的加載， 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)尾的運算文 件，放在運算文件夾中，然后打開 ABAQUS求解器前臺求解界面（DOS窗口），輸入命 令：ABAQUS JOB=文件名.K

10、，然后回車就可以進行計算了。經(jīng)過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)超過了極限應(yīng)變15.4%。根據(jù)經(jīng)驗，可以推斷這個圖6塑料件的局部區(qū)域已經(jīng)破壞，沒有達到預(yù)期的設(shè)計要求，如圖6所示。物理試驗表明在施加 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。另外幾個相關(guān)的物理實驗，是分別對塑料件的同一個區(qū)域施加50N和100N的載荷并測量施力點的位移量，然后用有限元進行模擬，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物理試驗與有限元結(jié)果對比表物理實驗結(jié)果10.82mI9h有限元分析SUB10.16m1 乩 50mm結(jié)束語通過ABAQUS軟件對汽車座椅塑料件進行有限元分析，可以模擬接近真實的環(huán)境，并得 到接近物理實驗的結(jié)果，對零件的設(shè)計和改進有著非常重要的參考價值和指導(dǎo)意義，為物 理實驗的成功提供了有力的保障。為此，通過以往的經(jīng)驗可以總結(jié)出一些對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 點的位置及加力區(qū)域、模擬結(jié)構(gòu)的合理性等。進行環(huán)境模擬時，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、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，欲報之于陛下也。誠宜開張圣聽，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、費祎、董允等，此皆良

13、實，志慮忠純，是以先帝簡拔以遺陛下：愚 以為宮中之事，事無大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補闕漏，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, 每與臣論此事，未嘗不嘆息痛恨于桓、 靈也。侍中、尚書、長史、參軍，此悉貞良死節(jié)之臣， 愿陛下親之、信之，則漢室之隆，可計日而待也 二臣本布衣，躬耕于南陽，茍全性命于亂世，不求聞達于諸侯。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，夙夜憂嘆，恐托付