矿用车辆座椅有限元仿真分析

侯尧花

(1、中国煤炭科工集团太原研究院,山西 太原030006 2、山西天地煤机装备有限公司,山西 太原030006)

矿用轻型车主要用来完成煤矿人员的辅助运输工作,它通常行驶在坑坑洼洼的泥石路面,由于矿用车辆的悬挂减振系统主要利用钢板弹簧,因此地面传递到车身的振动能量非常大,特别是快速行驶的时候[1-2]。座椅的主要作用就是为车辆驾驶人员提供一个固定驾驶的作用,它是连接驾驶员与轻型车底盘的重要部件,它的结构特性直接影响着煤矿司机和矿工人员乘坐舒适性问题,学者周艾利用JACK仿真技术,完成对工业搬运车座椅虚拟模型仿真分析,并结合人机工程学原理分析驾驶员所处的人- 机- 环境系统,王淑芬[4]利用人机工程完成了座椅的拓扑优化设计,完成对座椅减重20%的设计目标,梁文峻对公交座椅的液压系统进行了分析,解决了扶手和升降机构的协调性问题,不少学者对动车座椅和乘用车的座椅骨架进行了强度设计分析,但是对矿用车辆的随机振动几乎没有相关的分析。座椅的结构主要以座椅的骨架来进行整体的受力支撑,不少国内外学者进行了相关的研究分析,主要集中于不同环境下的作业车辆,包括商务车辆、家用车辆、工程机械车辆等[3],结构动态特性是汽车座椅骨架性能提升时需要重点关注的问题,研究座椅骨架动态特性对车辆座椅设计有着重要意义。一般学者研究假设将座椅简化为多自由度弹簧- 阻尼和质量块形式,一定程度上不能非常准确反应动态特性对运人车座椅影响,本研究方向结合路面和整车的受迫振动影响对其进行模态分析、随机振动和疲劳响应分析,为汽车座椅骨架结构设计和整车动态特性的优化设计提供参考。

1 轻型车有限元仿真分析

图1 某矿用运人车座椅振动过大造成座椅局部开裂

矿用轻型防爆柴油机无轨胶轮运输车辆在井下无轨辅助运输中所起的作用越来越大,座椅提供给驾驶员一定的支撑作用。座椅整体所受到的外部力学特性复杂,包括人体对它的纵向压力和横向冲击力,因此其固定腿和承座面动态破坏。图1 为某矿服役期内某型号防爆柴油机轻型车座椅破坏形式,产生的原因：第一是强度不足造成,第二是座椅的振动过大,造成局部开裂,降低了强度。因此为了改进这种结构设计,需要进行强度分析和振动分析,找到其振动变化较大的区域,进行后续的改进设计。

(1)三维模型建立

对座椅骨架进行模型的简化,利用Solidworks 软件建立该型号轻型车座椅模型尺寸如图2 所示。

图2 座椅soildworks 三维模型

整个座椅结构采用前后沉降式结构设计。在有限元软件中设置模型参数,温度选择在22 摄氏度,座椅的本身材料性质为钢,它的弹性模量为2.10×1011Pa,泊松比为0.27,密度为7.8×103kg/m3,总体的质量大约为15kg,抗拉强度345MPa,最大屈服强度325MPa,设置完成后开始进行下一步的网格划分。

(2)网格划分

本文在仿真软件中进行网格自动划分,考虑到仿真的精确性设置的座椅单元尺寸均为1mm,划分完成后网格共13765 个单元如图3 所示。

(3)边界条件加载

根据运人车座椅实际支撑受力大小,施加座椅和底板固定接处进行位移=0 的约束,4 处接触采用约束固定,施加垂直向下重力加速度。

图3 网格划分结果

1.1 座椅静力学强度分析

静力学的强度仿真计算主要就是判断在Y=Kx线性假设的情况下,受力部件的力和位移的关系,通过计算结果可以判断自己设计运人车座椅模型结构是否符合其材料选型要求,利用这个有限元Von Mises 力大小可以确定易发生断裂疲劳失效位置,同时可在强度满足要求基础下进行动载荷下的响应特性预测。

通过常用的2 种类型的受力方式来模拟座椅在运人车通过不平整的路线行驶受力状态,下面通过设置导入模型、材料选择、加载边界条件、后处理等,运人车座椅静力学强度分析如下：

图4 座椅满载弯曲应力分析

图5 转向瞬间满载弯曲应力

通过对运人车座椅选择满载弯曲和转向瞬间两个状态下的强度分析,满载弯曲按照驾驶员重量载荷的3 倍计算,分析得到上下弯曲载荷最大为175.9MPa,扭转载荷最大为211MPa,安全系数大于1.63,因此设计强度符合材料特性。

1.2 疲劳分析

通过上述的随机振动分析位移数据,得到对应的座椅疲劳寿命的预测如下仿真结果。(图6)

在随机振动下进行长时间的激励得到座椅设计的抗低周疲劳使用寿命大于10e5 数量级以上,安全系数大于5.06。其容易发生断裂失效的部位为四个支腿与座椅底板连接处。

图6 座椅疲劳分析结果

2 结论

本文利用有限元技术对某矿用运人轻型车座椅进行了不同特性力学研究与仿真,通过假设实际行驶过程中的座椅受力工况,对其力学振动特性仿真与座椅寿命疲劳预测,其总结有下述几点：

2.1 座椅有限元静力学模块分析得到其不同受力工况下最大应力强度为175MPa,达不到最大危险应力极限；座椅动力学模块得到影响共振状态的前5 阶低频模态频率和模态质量,分析对比前2 阶模态频率可以判断引起座椅共振原因,座椅靠背和后支腿扭转振动最大振幅基本符合实际驾驶中的振动特征。

2.2 通过随机振动分析得到其求解后查看,Z 方向上的1sigma置信度在Y 方向上最大应力点处有68%的概率不超过41.82Mpa,2sigma 有95.4%的概率不超过83.6MPa,并且随机振动下整个座椅底板中间的位置振动幅度较大。

2.3 分析S-N寿命曲线预测矿用运人车座椅疲劳寿命,分析得到曲线趋势分布合理,考虑到实际的使用环境,无法以DOE 方法得到座椅疲劳寿命。得出在一般的随机振动作用下其抗疲劳能力大于10e5 数量级。

最后得到该座椅骨架结构,整体结构强度够,造成前面的破坏原因主要在于长期的受迫振动造成,因此需要进行改进设计,可以在座椅支腿处和后靠背与驾驶室连接处加装阻尼装置,提高其抗振特性,增加车辆行驶的平顺性。