基于ANSYS有限元分析的座椅建模與計算

王建立,李玉光

(大連大學(xué)機械工程學(xué)院,遼寧 大連 116622)

基于ANSYS有限元分析的座椅建模與計算

王建立,李玉光

(大連大學(xué)機械工程學(xué)院,遼寧 大連 116622)

采用Pro/E三維建模軟件建立座椅的三維實體模型。采用"體單元"的方法建立計算機輔助分析模型。利用ANSYS有限元分析軟件對座椅的坐墊、靠背的彈性進行計算,并與座椅試驗的力-變形曲線對比,驗證了建模與材料定義的正確性。

座椅;有限元;建模;計算

在日常生活中,座椅給了我們很多幫助。座椅不僅能夠支撐坐在上面的人身體的重量,減輕人的疲勞以滿足人的舒適性要求,還能夠滿足坐在上面的人的各種功能需求。例如可以移動到自己想去地方、調(diào)節(jié)椅背的不同角度以滿足不同的舒適性要求等。因此,在本文中著重研究人在椅背和坐墊上施加一定的載荷之后,椅背和坐墊的變形程度、應(yīng)力分布狀況和各個方向的位移分布情況。

1 座椅模型的建立

1.1 座椅模型的建立過程

(1)建立座椅結(jié)構(gòu)的幾何模型;

(2)選擇用于模擬座椅上的各種結(jié)構(gòu)和聯(lián)接的有限元單元;

(3)用有限元單元對座椅幾何結(jié)構(gòu)進行離散化,劃分有限元網(wǎng)格;

(4)定義單元和材料的屬性;

(5)以試驗結(jié)果為依據(jù),驗證并確認(rèn)最終的仿真模型。

1.2 座椅結(jié)構(gòu)有限元詳細模型的建立

在整個有限元分析求解過程中最重要的環(huán)節(jié)是有限元前處理模型的建立,這一過程一般包括幾何模型、網(wǎng)格劃分、添加約束與載荷以及定義材料等。它對后期的分析求解有著直接的影響,影響仿真的精度和效率。建模的基本原則是保證建模的準(zhǔn)確性。為保證計算精度,模型必須能夠如實反映座椅的幾何特性和力學(xué)特性。為了提高模擬計算的效率,在建模時還必須考慮單元類型、數(shù)量和質(zhì)量等因素。

一般可以通過兩種途徑建立幾何模型,一種是使用CAD軟件建模,如使用Pro/Engineer、UG、CAT IA等常用的CAD軟件建模,另一種方法是應(yīng)用CAE軟件中的CAD模塊直接建模。很多的大型有限元軟件都包含這樣的CAD模塊,如ANSYS。與專業(yè)的CAD軟件相比,CAE軟件中的CAD模塊在功能和精度上都存在一定的差距,而且比較繁瑣,因此對于復(fù)雜問題最好使用CAD軟件建立幾何模型,在劃分網(wǎng)格過程中利用CAE軟件中的CAD模塊對模型進行少量的修改。在本文中我采用Pro/Engineer建立座椅的幾何模型,再通過IGES接口,將CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ANSYS中進行前處理。

座椅有限元模型的建立原則為:

(1)在保證計算目的和精度是條件下,適當(dāng)簡化模型;

(2)合理選擇單元類型,減少輸入數(shù)據(jù)量和計算時間;

(3)合理控制單元大小,相應(yīng)分配模型單元數(shù)。

1.2.1 體單元的選取

體單元的選取應(yīng)該從精度、效率以及對幾何型面進行離散化時的方便性和準(zhǔn)確性加以考慮。ANSYS軟件中提供了多種體單元類型,座椅骨架有限元分析模型通常采用三角形和四邊形體單元。

從幾何模擬角度看,采用三角形單元進行空間型面離散化,較為靈活、方便、準(zhǔn)確,尤其易于逼近復(fù)雜的過渡面,在許多CAD/CAM軟件中常常采用三角形單元,用作基本的離散化單元,但在有限元分析中,三角形單元的計算精度和準(zhǔn)確度較差。

圖1 椅背和坐墊區(qū)域采用四邊形單元劃分

1.2.2 定義單元材料的屬性

對單元進行定義,包括單元類型、實常數(shù)、材料特性等。其中骨架和外包殼采用shell 63號單元,泡沫體單元選用Solid 45號單元。

2 座椅模型加載后的有限元分析

2.1 完善CAE模型

如圖3所示,通過網(wǎng)格劃分,將整個座椅離散為多個單元,建立了完善的座椅CAE模型。

2.2 施加約束和載荷后的情況

根據(jù)坐墊的通常受力情況,對坐墊內(nèi)固定區(qū)域加載,每個節(jié)點受力均勻,加載節(jié)點數(shù)為132,;面積為300mm＊300mm。對坐墊和椅背施加一定的載荷,在本文中以一個60Kg的人為實驗對象,座椅的坐墊和椅背的應(yīng)力分布情況和各個部分的位移變化如圖4所示。

四邊形單元具有較高的精度和準(zhǔn)確度,可以有效保證座椅有限元模擬計算和實際狀況的一致性,但的四邊形單元的計算效率比較低,需要較長機時才能完成模擬計算。

建立座椅有限元模型時,精良采用四邊形單元,尤其是對有坐墊、靠背、底座骨架等關(guān)鍵受力部位,全部采用四邊形單元劃分網(wǎng)格;個別尺寸,形狀變化比較大的區(qū)域,如靠背和坐墊兩表面相交處,采用了少量的三角形單元?？傮w上來講,大部分區(qū)域采用四邊形單元進行網(wǎng)格劃分,小部分區(qū)域采用三角形單元進行網(wǎng)格劃分。

具體的網(wǎng)格劃分區(qū)域如圖所示:

圖2 椅背和坐墊區(qū)域采用四邊形單元劃分

3 對施加載荷后的座椅進行求解計算

圖3 座椅的CAE模型

在對座椅施加載荷之后,用ANSYS進行運算,最后得出座椅受力的應(yīng)力分布云圖和位移云圖。應(yīng)力分布圖展示了X、Y、Z三個方向上的應(yīng)力集中分布情況(圖5、圖6、圖7)。位移分布圖也分別展示了X、Y、Z三個方向上的位移變化狀況(如圖8、圖9、圖10)。

圖4 施加載荷后的情況

圖5 X方向應(yīng)力云圖

圖6 Y方向應(yīng)力云圖

圖7 Z方向應(yīng)力云圖位移圖:

圖8 X方向位移云圖

圖9 Y方向位移云圖

4 結(jié)論

采用體單元網(wǎng)格劃分的方法對座椅進行有限元分析是比較成功的,這樣就可以在進行座椅設(shè)計研究時,著重考慮應(yīng)力集中的地方和位移發(fā)生較大的地方,為下一步的設(shè)計做好前期準(zhǔn)備。當(dāng)然也存在一些不足之處,在進行網(wǎng)格劃分時,對模型進行了較大的簡化,應(yīng)該進行進一步的完善幾何模型和有限元模型,是結(jié)果更加優(yōu)化。

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Modeling and Simulation with Finite Element Method in Seats

WANG Jian-li,L I Yu-guang
(College of Engineering,Dalian University,Dalian,116622,China)

Establish the 3-D solid modeling with the software of Pro/Engineer.Establish the computer aided engineering model of car seat with the methods"solid elements",calculate the elasticity of seat with ANSYS.Compared with the"force-distortion"curve of seat test,we examine the validity of modeling and the definition of materials.

seats;finite element method;model building;Simulation

TH122

A

1008-2395(2010)06-0053-04

2010-10-05

李玉光(1963-),男,教授,Email:dlxsc@126.com