某汽车座椅骨架的模态分析

李玉光，赵旭阳，王淑芬，饶 博

（大连大学 机械工程学院，辽宁 大连 116622）

某汽车座椅骨架的模态分析

李玉光，赵旭阳，王淑芬，饶 博

（大连大学 机械工程学院，辽宁 大连 116622）

汽车座椅骨架的固有频率和振型是其动态特性设计中的重要参考指标，本文利用三维建模软件Proe建立某汽车座椅骨架三维模型，基于有限元分析软件Workbench对其进行模态分析，得到其前十阶固有频率值和振型，并对结果进行了分析。

汽车座椅骨架；有限元；模态分析；共振

汽车座椅是汽车内饰的重要组成部分，也是人体直接与车身相连接的重要部件，它直接影响乘坐的舒适性和安全性，其中汽车座椅骨架是汽车座椅的主要承载结构，对汽车座椅的性能有着重要的影响。

对汽车座椅骨架的模态分析可以预测座椅与乘坐者之间发生动态干扰的可能性，通过整车的动态特性优化，可以延缓汽车座椅骨架的疲劳破坏，降低振动噪声等，解决了通常静态分析难以解决的问题[1-2]。

在实际应用中常常用仿真软件来替代实验，这不仅可以节约大量的研发和实验经费，还能缩短产品的开发周期[3]。同时随着Workbench的应用越来越广泛，需要处理的模型也更加繁琐复杂其自身的建模功能有许多不足之处，而Proe可以建立非常复杂的三维实体模型，具有强大的参数化建模能力，因此本文利用三维建模软件Proe和有限元软件Workbench联合仿真分析。

1 汽车座椅骨架有限元模型的建立

在建立几何模型时应该尽量精确，以保证计算结果的准确性，但汽车座椅骨架通常会由上百个零件组成，如对所有零件建模，建模所用的时间与计算量都会增加，因此本文在不影响仿真精度的前提下，对汽车座椅骨架的主要支撑部件进行精确建模与定位，其它部件进行简单建模或忽略。

利用三维建模软件Proe建立某汽车座椅骨架模型，模型主要分为三个部分：靠背骨架、座垫骨架和调角器。靠背骨架主要部件包括：靠背骨架钢管、靠背连接板、靠背加强板。座垫骨架主要包括：座盆、座垫骨架钢管和座垫连接板。其中靠背骨架的高为520 mm，宽为500 mm，座垫骨架的长和宽都为480 mm。靠背骨架钢管与座垫骨架钢管材料均为 Q235钢，靠背连接板与座垫连接板等部件的材料为冷轧钢St12。材料参数如表1所示。

将建立好的三维几何零件模型进行装配后，通过Workbench中内置接口，导入Workbench中进行网格划分，单元类型以Soild186单元 为主。Soild186单元是高阶20节点固体结构单元，它具有二次位移模式，可以更好的模拟不规则的几何形状，使仿真更加精确。汽车座椅骨架共划分总结点数为 133115，单元总数为61418。汽车座椅骨架的有限元模型如图1所示。

图1 汽车座椅骨架的有限元模型

表1 材料参数

2 汽车座椅骨架的模态分析

模态分析是工程计算中的常用工具，常被用来分析给定结构的振动特性，它的本质是将物理模型转化为模态模型。模态分析需要已知结构的材料特征、几何形状和边界条件，将结构的刚度分布、质量分布和阻尼分布，分别用刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵表示出来，通过这些信息来获取系统的模态参数[4]。

根据实际情况将汽车座椅骨架底部的固定板进行约束，在 Workbench中的约束类型中选择“Fixed Support”。在进行模态分析时，一般不需要求出结构的所有固有频率和振型，本文提取汽车座椅骨架的前十阶固有频率值和振型。汽车座椅骨架的前十阶模态振型如图2所示，固有频率值如表2所示。

图2 汽车座椅骨架的前十阶模态振型

表2 汽车座椅骨架的前十阶固有频率值

从模态分析的结果可以看出，汽车座椅骨架的振型主要表现为弯曲和扭转变形。其中1阶振型为靠背骨架整体、调角器局部和座垫骨架中前部的扭转变形，最大相对变形位于靠背骨架钢管上端中部。2阶振型为汽车座椅骨架整体的扭转变形，最大相对变形位于座垫骨架前部。3阶与4阶振型为靠背骨架、调角器局部和座垫骨架局部的弯曲变形，最大相对变形均位于靠背骨架钢管上端角处。5阶与6阶振型为靠背骨架、调角器和座垫骨架局部的弯曲变形，最大相对变形均位于靠背加强板中部。7阶振型为靠背骨架与调角器的弯曲与侧摆变形和座垫骨架局部弯曲的复合变形，最大相对变形位于靠背骨架钢管上端角处。8阶振型为靠背骨架，调角器和座垫骨架前部的弯扭复合变形，最大相对变形位于座垫骨架钢管的上端中部。9阶振型为靠背骨架的弯扭复合变形，最大相对变形位于靠背加强板中部。10阶振型为靠背骨架、调角器和座垫骨架局部的弯扭复合变形，最大相对变形位于靠背骨架钢管上端中部。

人体各部分器官的共振频率：眼为20～25 Hz、胸部为 4～6 Hz、手臂为 10～20 Hz、肩部为 2～6 Hz、躯干为 3～6 Hz、脊柱为 3～5 Hz、胃为 4～5 Hz[5]。如果人体部分器官出现共振现象，将会引起相应的生理变化，对人体的健康产生不利的影响。从表2频率值可以看出，汽车座椅骨架的1阶固有频率值与人体的眼部和手臂的共振频率值相近，所以如座椅骨架在此频率下发生共振可能会引起乘坐者不舒适的感觉。

汽车其他各部分部件的固有频率值也应该避免出现在汽车座椅骨架的固有频率值附近，防止可能由共振引起的结构破坏。

3 结论

本文利用 Workbench对汽车座椅骨架进行模态分析，得到了其固有频率值和振型，对振型进行了描述，并将固有频率值与人体各部分器官的共振频率相比较，为汽车座椅骨架的结构设计和整车的动态特性的优化提供了参考依据。

参考文献：

[1]苏金英, 周炬. 某特装车汽车座椅的模态分析[J]. 装备制造技术, 2011(10)∶ 60-61, 85.

[2]李卫民, 王月婷, 孙嵩楠. 基于ANSYS的JL466型汽油发动机预应力下的模态分析[J]. 拖拉机与农用运输车, 2014,41(2)∶ 30-33.

[3]关长明. 白车身模态分析[D]. 合肥∶ 合肥工业大学, 2008.

[4]王勖成. 有限单元法[M]. 北京∶ 清华大学出版社, 2003.

[5]黄斌, 蒋祖华, 严隽琪. 汽车座椅系统动态舒适性的研究综述[J]. 汽车科技, 2001(6)∶ 13-16.

Modal Analysis of an Automotive Seat Frame

LI Yu-guang, ZHAO Xu-yang, WANG Shu-fen, RAO Bo
(College of Mechanical Engineering, Dalian University, Dalian 116622, China)

The natural frequencies and mode shapes of an automotive seat frame are an important reference index of its dynamic design. Its three-dimensional modal is established by Proe software. The previous ten natural frequencies and mode shapes are got based on Workbench and the results are analyzed.

∶automotive seat frame; finite element; modal analysis; resonance

TH122

A

1008-2395(2015)06-0021-04

2015-10-21

李玉光（1963-），男，教授，研究方向：机械设计。