基于CATIA有限元分析模块的结构优化设计

朱文祥　张微娜

摘 要：以汽车座椅靠背骨架解锁手柄为例，介绍CATIA软件中有限元分析模块和DMU运动模块在汽车零部件设计过程中的应用以及结构优化设计，通过利用CATIA软件对解锁手柄的应力应变分析结果对其进行优化设计，从而满足企业标准。

关键词：解锁手柄；有限元分析；CATIA

中图分类号： U462 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）25-201-2

0 引言

CATIA软件作为功能强大的计算机辅助设计软件，已经被广泛地应用到汽车零部件设计领域，在汽车零部件产品设计过程中，CATIA不仅可提供3D、2D的设计工作，还可进行产品的有限元分析以及DMU运动仿真分析，提高产品的设计质量，大大降低了产品的开发费用。

本文以汽车座椅骨架的零部件设计为例，利用CATIA软件，进行3D建模、2D设计，通过有限元分析进一步对产品进行优化设计，最终达到设计的最优方案。

1 产品三维设计方案建立

汽车座椅作为汽车重要的系统之一，可实现前后滑动、升降调节以及靠背角度调节等多方向调节，其中手动靠背角度调节功能的实现是通过解锁手柄运动带动调角器圆盘运动，调角器圆盘与靠背边板进行连接，从而实现靠背角度调节。通过周边环境的校核以及调角器自身的性能，确定调角器解锁手柄的初步方案，初步设定解锁手柄材质为Q345，料厚为2.5mm。

利用CATIA三维建模模块进行数据的设计，初步方案见图1所示。

2 产品零部件标准的建立

解锁手柄的侧向刚度需要建立标准，侧向刚度太弱，乘客在调节靠背过程中，调角器手柄与座椅旁侧板干涉，产生划痕，乘客抱怨，为避免此类失效问题发生，汽车行业标准QC/T 844-2011特针对此制定了相关的标准，具体如下。

标准要求：手动调角器手柄的侧向变形量（S=S1+S2）不大于15mm，只有一侧施加力时，变形量S1或S2均不大于10mm。

实验方法：如图2所示，将模拟的靠背骨架总成置于刚性夹具上，按如下步骤进行操作：①在图示距离手柄末端20mm处均匀施加一水平向左的力F1（49N），最大变形量S1；②然后向右方向施加力F2（49N）的力，最大变形量为S2；③变形量在施力点通过百分比测量。

根据建立的标准，利用CATIA有限元分析模块，对解锁手柄进行有限元分析，此项分析只针对调角器解锁手柄，对3D模型进行简化，去除调角器、靠背边板、座靠连接板等零部件，利用CATIA软件Generative Structwral Analysis 模块进行网格划分和有限元模型建立。

3 零部件有限元模型的建立及优化处理

3.1 材质设定

CATIA软件可对零部件直接赋予材质的属性（图3），也可通过CATIA 基础结构模块根据选用材料的类别自定义材料的属性（图4）。

本文采用第一种方法，直接赋予零件Steel材质。

3.2 网格划分和有限元模型建立

网格划分越细，计算结果越准确，当然计算时间越长，对于解锁手柄零部件，结构相对简单，通过CATIA自动网格划分所得出的计算结果精度误差不会太大。可通过分析报告命令对结果进行查看。

3.3 有限元分析结果

按照标准要求，对零部件进行边界设置，并施加载荷。通过CATIA结果显示功能分别显示冯·米斯应力图、变形位移云图，对比材料的屈服极限以及标准法规，查看初步方案是否满足设计要求。

通过节点位移云图，可知解锁手柄最大位移变形量为10.8mm，不满足标准单边施加力值，变形量≤10mm，需要对设计进行优化；

图5显示解锁手柄的Von Mises应力云图，通过结果显示解锁手柄在弯角处所受到的应力最大，达到了361MPa，可通过增加翻遍以及增加加强筋的方式进行优化处理。

3.4 解锁手柄的结构优化

CATIA软件最大的优点之一为参数化设计，设计人员可通过参数的调整来确认有限元分析结果是否符合设计要求，而无须再重新对零部件进行网格划分、边界处理等步骤，大大节省了设计人员的时间。

通过三维设计模块直接进行数据参数调整，通过增加加强筋以及翻边处理，对零部件进行结构优化，由更改后零部件的位移云图和Von Mises应力云图可知，更改后零部件的最大位移变形量5.16mm，最大应力为223MPa，两者均满足标准设计要求，证明零部件结构优化方案有效。

4 DMU运动环境校核

CATIA软件DMU模块提供了较为便利的运动仿真功能，可利用此模块来进行干涉、距离检查。主要步骤如下：

步骤1：创建运动机构及运动副；步骤2：定义命令；步骤3：定义固定件；步骤4：机构运动模拟；

通过干涉以及距离分析功能进行模拟，分析零部件与周边环境是否干涉以及与周边环境的最小距离，本实例解锁手柄最大解锁角度为30°，通过DMU模拟解锁手柄运行轨迹，通过图6可见，解锁手柄由初始位置到最大解锁角度30°位置运行范围内，解锁手柄与其他零部件最小距离在最大解锁角度位置，距离值为0.998mm，基于相邻运动零部件最小距离≥5mm的设计规范，可再对解锁手柄进行结构优化，保证解锁手柄运行过程中与其他零部件最小距离≥5mm，此处不再进行详细处理。

5 结束语

利用CATIA V5高级建模功能，在对解锁手柄进行参数化建模的基础上，对解锁手柄进行了有限元模型的建立和有限元分析，得出了解锁手柄应力等值分布图以及变形位移图，通过图形可直观的分析出解锁手柄是否满足设计要求，同时利用DMU运动仿真，检查解锁手柄与相邻零部件是否干涉以及最小距离，避免了以往被动的校核设计方法，同时利用CATIA的参数化设计，可直接更改参数，无须再去对零部件进行网格划分以及边界设置，大大降低了设计人员的效率，保证了设计的稳定性和可靠性。

参 考 文 献

[1] 刘自侠.汽车座椅的力学模型设计[J].零配件技术，2001.

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