基于ABAQUS的收割机座椅结构优化及舒适性设计

陶 伟 陈世斌

（1.武夷学院机电工程学院农机智能控制与制造福建省高校重点实验室 福建武夷山 354300；2.长安大学公路养护装备国家工程实验室 陕西西安 710064）

收割机是一体化收割农作物的机械，一次性完成收割、脱粒，并将谷粒集中到储藏仓，然后在通过传送带将粮食输送到运输车上。具有作业速度快、作业条件恶劣、负载变化快等特点，导致作业中振动大、速度不平缓等，收割机驾驶座椅的安全性和舒适性不仅关系到驾驶者的舒适安全和身心健康，同时也直接影响整机的机械性能和作业效能的发挥[1-2]。医学专家研究表明：驾驶员患腰痛的几率较平常人高2-3倍，汽车司机腰痛的发病率高达65%，发病原因主要和坐姿不良有关[3]。在座椅设计方面，更多学者对汽车座椅设计进行了研究，座椅的刚度越大，人体振动越激烈，乘员的不适感越大，减少座椅刚度也是提高舒适性的必要手段[4]；殷康生建立1∕2汽车5自由度振动模型，运用将不同优化算法组合的方法对驾驶员座椅和悬架系统进行优化，对汽车的座椅舒适性进行结构优化[5]；李雪成对汽车座椅振动模态进行了研究，通过分析和试验优化座椅部分零件尺寸参数，使座椅的模态频率避开了与车身的共振频率[6]；Shojaeefard和Abbas通过遗传算法对座椅和悬架系统进行结构优化设计，改善汽车行驶中的座椅的平顺性[7-8]；然而，汽车与收割机使用环境、行驶参数等完全不同，相关座椅设计及优化方法只能提供有限的借鉴。一些学者对工程机械中的挖掘机座椅舒适性进行了研究，马银忠等从视野安全的角度讨论了挖掘机驾驶室及座椅的相关设计[9]；范沁红在挖掘机驾驶座椅设计中综合考虑人体生理及心理特征，在将人体的主观与客观反映相结合的基础上选择更恰当的设计尺寸[10]，为驾驶者提供更安全舒适的座椅设计提供方法，但是收割机相比于挖掘机而言，收割机行驶速度变动更频繁，底座尺寸质量小，更易于形成车身振动，二者座椅设计及优化存在差别。

因此，现有的研究表明收割机驾驶座椅舒适性的研究涉及较少。本文拟通过ABAQUS软件，以人体驾驶舒适性为目标，结合收割机工况特性，对座椅进行振动模态，找出结构上的薄弱环节，得到收割机座椅结构设计方法，提高行驶中收割机座椅的振动特性和舒适性，最终提高座椅的乘坐安全性和舒适性。

一、ABAQUS有限元振动模态

（一）有限元分析的理论。座椅的动态舒适性受其振动频率和幅度的变化影响较大。驾驶座椅在设计时为防止出现共振现象必须使其受迫振动频率避开固有频率，并降低座椅的振动幅度。模态是结构系统的固有振动特性，每一个模态都可用模态振型、模态阻尼比和共振频率来表示。座椅被振源激励时产生的振动可通过多阶模态振型的线性组合方式表示，可得出座椅受影响的频率范围内各阶模态的振动特性，可以发现起主要作用的是前几阶模态。研究座椅动态特性时最好使用真车中的实用座椅（包括海棉、蒙皮等），但座椅增加海棉和蒙皮等主要是通过减振和支撑来增加乘坐舒适性，对这部分结构采用有限元分析建模，会增加较多建模工作量和时间，但研究成果对于座椅结构优化影响较小。座椅结构中最重要的组成部分是骨架，只需对骨架进行模态分析就能反映座椅的动态特性和振动舒适性，本文仅针对座椅骨架进行模态分析。

实际座椅结构具有不同的固有频率，因此，在结构设计时，需尽量避免座椅的振动频率过于接近人体的主要部位的振动频率，通过考虑非加载结构的动态响应分析，可以确定在工作中座椅的固有频率，此时的运动方程为[11]：

对于无阻尼系统，I=Ku，因此有

这个方程的解有如下形式：

将（3）代入（1）中，得到特征值对应方程：

其中λ=ω2。该系统有N个特征值，其中n是有限元模型中的自由度数。记λj是第j个特征值；它的平方根ωj就是结构的第j阶模态的固有频率。

（二）建立有限元分析模型及计算结果。收割机座椅本身结构复杂，因此为保证模拟计算精度和效率的前提下，对其模型进行合理的简化。利用三维软件Solidworks对汽车座椅建模并装配（如图1所示），其中靠背骨架长为520mm，宽为490mm，坐垫骨架长宽均为480mm。而靠背骨架、坐垫骨架和导轨材料均为08Al，与骨架相连的调角器材料为St12。具体材料参数如表1所示。将建好的装配体导入有限元软件ABAQUS中，赋予相应的材料参数，靠背骨架、滑轨和连接板的网格划分技术为Hex，Sweep，其余采用Quard，Free，相应的单元类型为C3D20和C3D10，各接触部分采用耦合约束，最终网格划分情况如图2所示：

表1 材料参数表

图1 设计的收割机座椅骨架

图2 收割机座椅骨架网格模型

限制座椅模型底部导轨的自由度，并对其进行模态分析，得到的部分振型图如图3的a～h所示，其中模型变形缩放系数取为70，观察模态分析的各阶振型的变形情况以及前15阶振型的频率提取统计情况如表2所示：

图3 部分振型图变形

表2 模型振型及振动情况统计表

从振型图中容易看出，座椅的振型主要为前后、上下的振动以及绕Z轴的扭转变形，部分振型显示出复合变形。振型图显示在20～55Hz范围内的主要变形在靠背架上部，位移在1.1mm左右。而在稍高频的55～60Hz范围内，振动变形主要在坐垫骨架上，位移约1mm，这可能和座椅相对于收割机座椅固定处的相对运动有关。在正常的驾驶环境中，人和座椅基本认为是一体的，对比人体主要器官的共振频率：眼为20～25Hz、肩部为2～6Hz、胸部为4～6Hz、躯干为3～6Hz、脊柱为3～5Hz、胃为4～5Hz、手臂为10～20Hz[12]。文中所设计座椅的1阶共振频率为20.427Hz，基本避开了人体器官的共振频率，不会引起人体相应器官较大的相对位移，不会使人体产生不适感，表明该座椅的设计较为合理，基本不会引起乘员的不适性，而且也一定程度上决定了成员的安全性。但是，设计座椅1阶共振频率没有完全避开眼部的共振频率，可适当增大座椅的刚度来提高座椅的1阶频率，从而避开人体各器官的共振频率，避免驾驶员不适性。

二、座椅舒适性优化

为提高驾驶员的舒适性，并符合人机工程学，座椅骨架表面均设有缓冲垫，使座椅具有柔软触感，为加强载荷均布在弹簧上，缓冲垫外均有蒙皮包裹[4]。上述已给出座椅的结构参数，此处只讨论座椅靠背的缓冲垫的设置对乘员舒适性的影响。在正常驾驶工况下，驾驶员脊柱通常背靠座椅，此时脊椎是与靠背交互作用的主要受力部分，根据人体脊柱的外形，可假定脊柱与靠背的受力类型为单线接触、双线接触、三线接触以及面接触，接触形式侧面示意图如图4所示。并在一定载荷下，分析靠背对脊柱所产生的位移量，根据位移量的大小来定性判定乘员的舒适性。

图4 脊柱与靠背侧面配合示意图

将人体脊柱简化为二维模型，相应的线接触简化为点接触，面接触简化为线接触。图4中，脊柱与A1配合看做单点受力分析；脊柱与B1和B2配合看做两点受力，容易看出B1的位移量较B2大，故只做脊柱和B1的配合分析；脊柱和C的配合看做三点受力分析；D为依据人体脊柱的外形而制作的靠背，脊柱和靠背可以看做线接触，以上分析的加载位置如图5所示。

图5 加载位置示意图

为研究方便，且不影响分析结果的前提下，此处省去靠背模型，只对脊柱进行载荷分析。将脊柱的CAD模型导入到有限元ABAQUS软件中进行静力学分析，人体脊柱为各向异性材料且类似于白蜡木材料[13]，此处用白蜡木替代人体脊柱，相应的材料参数为如表3所示：

表3 白蜡木材料参数表

对脊柱施加限制颈部和尾部自由度的边界条件，并对其加载X轴负向力200N，其不同形式的载荷施加情况如图5所示，为使分析收敛，采用载荷点和附近小区域耦合约束来加载。对脊柱采用的单元类型为Quadratic，网格划分技术为Quard，Free和Medialaxis算法，最终分析结果脊柱位移云图如图6所示。位移云图显示，在加载200N的载荷下，脊柱受单点、两点、三点及面接触作用后的位移量分别为：10.40mm、8.62mm、7.15mm和0.93mm。分析结果表明随着承载点的增多，脊柱位移量逐步减少，且单点和面接触位移相差100倍左右。点载荷的最大位移部位集中在脊柱的中部，而线接触的集中在脊柱的上部，这可能是脊柱自身的结构外形所决定的，且而面接触下的脊柱位移量明显低于其他三种情况，这与靠背缓冲垫充分发挥作用有关，同时与载荷均布于整个脊柱，使人体背部有较好的支撑有决定性关系。因此，为提高乘员的舒适性，尽量让乘员水平方向上的载荷受力均匀分散，将靠背的外形轮廓尽量和人体脊柱的生理曲线外形相近，贴合性较好，整体舒适性高。

图6 不同接触形式下脊柱位移云图

三、结论

文中以某型号的收割机座椅为研究对象，应用ABAQUS软件计算所设计座椅骨架在0-60Hz内的模态参数，结果显示第一阶模态频率为20.43Hz，模态振型表现为座椅靠背进行前后振动；第三阶模态频率为27.85Hz，模态振型表现为座椅靠背进行上下振动；第五阶模态频率为28.65Hz，模态振型表现为座椅进行上下和前后的振动叠加，计算结果表明各阶振型表现形式各不相同，但都避开了人体器官的共振频率；对座椅靠背形状设计对人体脊椎受力进行计算，对比结果显示脊柱受单点与面接触作用后的位移量分别为10.40mm和0.93mm，二者相差100倍左右，研究结果表明在靠背优化设计对驾驶员舒适性有重要影响，在满足振动模态情况下必须考虑靠背的优化设计，为收割机座椅舒适性设计提供了借鉴。