汽车座椅骨架优化设计研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 2.77MB 61 页 15积分

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摘要

近几年，随着国内汽车行业的发展，各大汽车生产厂商和零部件供应商都在

不断的利用新技术和新手段，提高产品的质量，降低产品的成本。在汽车零部件

设计方面，有限元分析技术也越来越得到重视。同样，在汽车座椅的设计上，尤

其是汽车座椅金属骨架的设计方面，有限元技术也得到了充分的应用，通过有限

元技术,可以在座椅骨架设计阶段就能快速有效的对设计结构进行验证，并提出改

进意见，更好的为设计服务。

汽车座椅的设计涉及到人机工程学、结构力学、机械振动、控制工程等众多

方面，座椅骨架是座椅主要的结构件，其大部分是板壳结构，零部件繁多，对其

结构零部件的设计必须把握重点，抓住主要的受力件，对整体结构进行合理简化，

同时利用有限元技术对座椅结构进行有效验证和改进，才能缩短设计时间，提高

设计质量。

目前在座椅骨架设计阶段，有限元技术已经广泛地应用，有限元软件种类繁

多各有特点，但如何综合利用它们的优势，合理的选择关键参数与边界条件并准

确的仿真模拟是值得研究的。利用有限元技术对座椅骨架设计的方法，从几何模

型的简化，有限元模型的建立，到计算软件的选择，计算结果的后处理，都值得

探索与研究。本文采用了 Hypermesh,Hyperview，ABAQUS 和 LS-dyna 有限元软件，

用 Hypermesh 作为前处理，用 ABAQUS 和 LS-dyna 进行分析计算，后处理用

Hyperview。

本文根据国家法规对汽车座椅性能的要求，对座椅骨架开发，从初期设计到

实验验证，以及最后的结构改进过程中有限元技术的应用进行了详细的研究。对

一些影响有限元计算准确性的细节进行了分析，总结了座椅骨架设计开发的基本

思路，目标设定和方法步骤。另外本文还在碰撞安全性上对座椅骨架进行了研究，

得到了椅背结构与假头型碰撞加速度的关系，并以椅背改进设计为例阐述了座椅

骨架研究方法，其研究结果对企业目前座椅骨架改进有一定的参考价值。

本文主要是探索充分利用各有限元软件的特点开展汽车座椅骨架设计的一种

方法，对有限元技术的应用，计算模型简化、网格的合理划分、选择材料参数、

边界条件的设定与构件的连接方式等提出有效处理的思路，对座椅开发的初期设

计与座椅骨架设计的检验和改进，具有实际应用的指导意义。

关键词：座椅骨架有限元技术座椅安全设计优化

ABSTRACT

In recent years, with the development of auto industry, the major automobile

manufacturers and parts suppliers are constantly in use of new technologies and new

means to improve product quality, reduce product cost. In the auto parts design, FEA

technique gets more and more attention. Similarly, in the design of car seats, especially

seats metal skeleton design, FEA techniques have also been fully applied. With the

finite element technology the seat frame can be rapid and effective verified in design

stage, suggested improvements and be better for the design services.

Car seat design involves man-machine engineering, structural mechanics, mechanical

vibrations, control engineering and many other areas, seat frame is the main structure of

the seat, most of which are plate-shell structure, many parts of its structural components

must be designed to grasp the key points, the main force to seize the pieces of the

overall structure of the reasonable simplification, while taking advantage of FEA

technology to seat structure for effective validation and improvement, in order to reduce

design time and improve design quality.

At present, the FEA technique has been widely applied in the seat frame design stage,

there are many types of FEA software, they have their own characteristics, but how

comprehensive utilization of their strengths, how reasonable choice for the key

parameters and boundary conditions, and accurate simulation are worth studying. The

use of FEA method to the seat frame design from a geometric model of the simplified

finite element model to calculate the choice of software to calculate the results of the

post-processing, are worthy of exploration and research. This paper is using Hypermesh

as a pre-treatment, using ABAQUS and LS-dyna for analysis calculation and

post-processing with Hyperview.

This paper is in accordance with national laws and regulations in the performance

requirements of the seat frame developed, studies how to use FEA tech from initial

design to experimental verification, as well as the final structure design. Analyzes the

details to impact the accuracy of FEA, summed up the ideas, goal settings, and methods

of seat frame design. In addition this paper also studied the crash safety of seats

skeleton, got the relationship between the head acceleration and the seat back structure.

Also study the method of seat frame refine, the results has some reference value for seat

frame design.

This paper mainly studied the application of FEA method for a car seat frame design.

Proposed ideas of effectively deal with FEA technology application, FEA model

simplification, rational division of the grid, the material parameters, boundary

conditions setting and the component connection method. Has Guiding significance for

the practical application of Seat initial design and development and test of seat frame.

Keywords：Seat frame，FEA techniques，seat safety，Optimization

摘要

ABSTRACT

第一章绪论............................................................................................................... 1

1.1 汽车座椅基本结构及类型............................................................................. 1

1.2 汽车座椅骨架的作用和种类......................................................................... 3

1.3 汽车座椅骨架开发流程................................................................................. 3

1.4 有限元分析技术在汽车座椅骨架设计中的应用......................................... 4

1.5 座椅安全性及相关法规................................................................................. 5

1.6 研究内容与研究意义..................................................................................... 7

第二章汽车座椅骨架设计工况分析......................................................................... 9

2.1 座椅骨架基本结构......................................................................................... 9

2.2 座椅骨架静力学设计工况分析................................................................... 10

2.3 座椅骨架模型简化与静力学分析过程....................................................... 11

2.3.1 物理模型简化方案受力分析...............................................................11

2.3.2 座椅高度调节机构力学分析............................................................. 15

2.4 本章小结....................................................................................................... 17

第三章座椅骨架有限元分析与模型建立............................................................... 19

3.1 有限元理论介绍与应用现状....................................................................... 19

3.2 座椅骨架有限元分析软件介绍................................................................... 20

3.3 座椅骨架结构有限元模型的建立方法与原则........................................... 21

3.4 座椅骨架有限元模型的建立过程............................................................... 22

3.4.1 几何模型的简化和处理..................................................................... 22

3.4.2 网格划分与单元的选取和使用......................................................... 24

3.4.3 连接关系的模拟和简化..................................................................... 25

3.4.4 确定边界条件..................................................................................... 26

3.5 本章小结....................................................................................................... 27

第四章座椅骨架静强度有限元分析....................................................................... 29

4.1 简化模型设计工况分析............................................................................... 29

4.2 具体模型设计工况分析............................................................................... 31

4.3 国家法规静强度有限元分析....................................................................... 32

4.3.1 座椅总成静强度仿真分析................................................................. 33

4.3.2 座椅靠背静强度仿真分析................................................................. 35

4.3.3 座椅头枕后移量仿真分析................................................................. 37

4.3.4 座椅头枕静强度仿真分析................................................................. 39

4.3.5 仿真结果分析..................................................................................... 40

4.4 本章小结....................................................................................................... 40

第五章汽车座椅骨架碰撞安全性有限元分析....................................................... 41

5.1 座椅骨架对碰撞安全性的作用................................................................... 41

5.2 碰撞有限元模型的建立............................................................................... 42

5.3 碰撞实验仿真计算及数据处理................................................................... 43

5.4 本章小结....................................................................................................... 46

第六章汽车座椅骨架设计方法研究....................................................................... 47

6.1 汽车座椅骨架部分主要结构的改进设计................................................... 47

6.2 座椅椅背骨架改进设计............................................................................... 48

6.2.1 冲压薄板件和轧制型材的结合......................................................... 49

6.2.2 椅背上框设计尺寸的确定方法......................................................... 50

6.2.3 椅背加载工况下仿真结果对比......................................................... 51

6.2.4 头枕加载工况下仿真结果对比......................................................... 54

6.2.5 优化前后对比..................................................................................... 55

6.3 本章小结....................................................................................................... 56

第七章全文总结....................................................................................................... 57

参考文献..................................................................................................................... 59

致谢......................................................................................................................... 61

第一章绪论

汽车座椅是汽车的基本装置，作为与驾驶员直接接触的部件，在舒适性与安

全性上起着重要的作用。汽车座椅是伴随汽车而诞生的，最早人们只是将家用样

式的椅子沙发固定在汽车上，随着车速的不断提高这种简单的座椅已经不能满足

人们对于舒适性和安全性的要求。随着汽车的发展，人们要求的提高，各国安全

法规的完善，汽车座椅不再是单纯满足乘坐和美观需要的部件，而是关系到汽车

乘坐舒适性和安全性集人机工程学、机械振动、控制工程等为一体的系统工程产

品。汽车座椅是保证成员乘坐舒适，减轻疲劳的必要条件，也是汽车安全部件之

一，在发生事故时，座椅可以起到保护乘员避免或减少伤亡的作用，座椅也是车

内重要的装饰件，独特的座椅造型、协调的色彩与良好的材质都能使人心情舒畅，

精神愉快。

汽车技术的飞速发展和人们对汽车各方面性能要求的提高，对汽车座椅的要

求也在不断提高。为了进一步提高座椅的舒适性及安全性，全球各大汽车公司及

汽车零部件公司也在持续不断地加大座椅设计及研发力度，在座椅的新结构、新

工艺、新材料的研发及应用上下工夫，不断研制出各类悬架座椅、电动座椅、电

脑记忆座椅等，按摩装置、辅助冷热智能空调座椅等各类辅助装置也不断诞生。

1.1 汽车座椅基本结构及类型

头枕

靠背

坐垫

调节装置

座椅连接件

图1.1 汽车座椅基本结构

如图 1.1 所示，汽车座椅一般由头枕、靠背、调节装置、坐垫和座椅连接件

组成。座椅骨架一般为金属材料，填充物一般为泡沫塑料，由织物或真皮包裹。

头枕是座椅上一个附件，分为固定式和活动式两种。在高靠背座椅中，头枕

汽车座椅骨架设计方法的研究

与靠背做成一体，头枕不可拆卸，这种高靠背座椅主要用于客车上，例如大客车。

在低靠背座椅中，头枕与靠背是可分离的，头枕是一个单独的物体，用单插销或

双插销形式入座椅靠背的插座，固定在靠背上，这种低靠背座椅多用于乘用车上，

例如轿车。以前，人们对头枕的看法多从舒适性角度出发，认为汽车座椅上安装

头枕，主要是避免头颈疲劳。随着车速的增加，它对人身安全日益重要，实践证

明头枕更重要的作用还是安全性，汽车一旦发生追尾碰撞，汽车受后面冲击力作

用瞬间急速向前，由于惯性作用乘员的头部却会突然向后仰，颈椎承受到很大的

加速度力而容易受到伤害。有了头枕的承托，减少头部自由移动的空间就可以降

低对颈椎的冲击力，当追尾发生时可令靠背头枕与驾乘者同时后移，有效避免颈

椎伤害。调得适当的头枕可以在撞车时将受重伤的可能性减少 40%—50%。从这一

角度看，汽车座椅头枕是一个必须有的辅助装置，而不是可有可无。

座椅靠背是支撑成员躯干的主要部分，无论是在汽车加速，减速，汽车前撞

与后撞，甚至后座椅行李箱碰撞的主要承力部分就是座椅靠背，所以座椅靠背的

作用尤为重要。并且靠背的形状是影响座椅舒适度的主要因素之一，设置适当的

靠背可以降低背部紧张度，当人体背部脊柱处于自然形态时最舒适，要达到这一

点，只有通过座椅的坐面与靠背之间的角度、靠背的形状和适当的腰椎支撑来保

证。

座椅调节机构是调节乘员乘坐位置的装置。普通座椅主要包括座椅前后调节、

座椅高度调节、靠背角度调节装置等，高档座椅还包括腰部支撑调节、座椅腿托

调节、座椅位置记忆、座椅通风、座椅加热等，普通座椅调节一般为手动调节，

高档座椅一般为电动调节。座椅前后、上下调节机构装在坐垫骨架和车身地板之

间，前后调节多采用滑轨式，高低调节多采用棘轮式。靠背角度调节机构装在靠

背骨架与坐垫骨架之间，同时将靠背与坐垫连在一起。靠背角度调节可分为有极

调节与无极调节两种，一般可调角度都比价大。

坐垫主要用于承受乘员的重力，与成员腿部臀部贴合限制成员在坐垫平面各

向加速度下的移动，并通过填充物和弹簧吸收车身传到成员身上的震动冲击。填

充物和弹簧的刚度和阻尼也是影响成员舒适性的主要因素之一。

汽车座椅的类型根据结构、用途及驾乘人员的不同，汽车座椅分为固定座椅

和旋转座椅、可调节座椅和不可调节座椅、可翻转座椅和不可翻转座椅、带减振

的悬架座椅和不带减振的汽车座椅以及专用汽车座椅等。其中悬架座椅又可分机

械悬架座椅和空气悬架座椅，可调节座椅又分为机械调节座椅、气动调节座椅和

电动调节座椅等。

第一章绪论

1.2 汽车座椅骨架的作用和种类

座椅在承受外部载荷时，主要受力部件是骨架，而骨架表面的蒙皮及软垫等

覆盖物对外部载荷的分配很少。这是因为软垫和蒙皮通常是由力学特性较软的聚

氨酯泡沫和纤维织物制成，在整个座椅总成中只起到提高舒适性的作用，在座椅

承受冲击时能够吸收部分能量，基本上不分配也不能承受外部施加的较大的静载

荷。

座椅骨架是汽车座椅的基础结构，由靠背骨架和坐垫骨架两部分组成。座椅

骨架常用轧制型材（钢管或角钢）与钢板冲压焊接而成，通过螺钉直接固定在车

身上或通过座椅调节机构固定在车身上。座椅骨架是汽车座椅组成部分中的刚性

件，用于传递成员与车身之间主要的力，所以对于座椅的整体性能起到了很大的

作用，也是影响座椅力学性能的主要结构。

应用中常见的汽车座椅骨架有两种，主要区别是在椅背骨架的结构上，一种

椅背主要结构是钢管型材，钢板冲压件只作为连接件如图 1.2 所示，另一种椅背

主要结构是钢板冲压件，钢管只占很小一部分，或无钢管结构如图 1.3 所示。前

一种座椅骨架主要用在中低档车座椅、后成员座椅、及客车乘客座椅；后一种主

要用于高档车，前成员座椅，相对于前一种后一种座椅的支撑性与包裹性相对要

好一些。

图1.2 钢管结构椅背

图1.3 钣金结构椅背

1.3 汽车座椅骨架开发流程

汽车座椅骨架的开发设计流程有三个主要的阶段如图 1.4 所示，第一阶段是

根据市场需求，人机工程学要求等，在一定尺寸、形状的约束下，并在经验公式

的指导下设计出座椅骨架的几何模型，第二阶段是由第一阶段建立的几何模型来

建立有限元模型并进行分析，使座椅骨架达到一定刚度、强度的静力学和动力学

的要求，并对达不到要求的设计进行改进和优化。第三个阶段是对达到有限元分

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摘要近几年，随着国内汽车行业的发展，各大汽车生产厂商和零部件供应商都在不断的利用新技术和新手段，提高产品的质量，降低产品的成本。在汽车零部件设计方面，有限元分析技术也越来越得到重视。同样，在汽车座椅的设计上，尤其是汽车座椅金属骨架的设计方面，有限元技术也得到了充分的应用，通过有限元技术,可以在座椅骨架设计阶段就能快速有效的对设计结构进行验证，并提出改进意见，更好的为设计服务。汽车座椅的设计涉及到人机工程学、结构力学、机械振动、控制工程等众多方面，座椅骨架是座椅主要的结构件，其大部分是板壳结构，零部件繁多，对其结构零部件的设计必须把握重点，抓住主要的受力件，对整体结构进行合理简化，同时利用有限元...

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