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6 結(jié)語 本文在建立了基于 ANSYS 的某巨胎液壓硫化機的參數(shù)化 有限元模型及分析計算的基礎(chǔ)上 確定了其輕量化設(shè)計的數(shù)學(xué)模 型 采用一階方法進行分步優(yōu)化 獲得較好的優(yōu)化結(jié)果 使結(jié)構(gòu)總 重量下降了 12 5 將調(diào)整尺寸后的結(jié)構(gòu)重新進行有限元分析 結(jié)果表明 優(yōu)化后的硫化機結(jié)構(gòu)滿足強度 剛度等要求 達到了結(jié) 構(gòu)輕量化優(yōu)化的目的 從而獲得了輕量化設(shè)計方案 本文將有限 元分析技術(shù)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法相結(jié)合并應(yīng)用于工程實際 不僅改善 了構(gòu)件的應(yīng)力分布需要 而且更加節(jié)省材料 在很大程度上減少 了設(shè)計成本和周期 為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了必要的設(shè)計依據(jù)和新的研 究方法 也為企業(yè)的生產(chǎn)起到一定的指導(dǎo)作用 參考文獻 1 陳樹勛 李威龍 雙模輪胎硫化機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計 J 機械設(shè)計與制造 2002 10 5 66 68 2 龔曙光 謝桂蘭 邱愛紅 ANSYS優(yōu)化技術(shù)在零部件設(shè)計中的應(yīng)用 C ANSYS 中國用戶年會論文集 2002 1013 1017 3 CEN Da bing WANG Rong Finite Element Analysis of Giant Tire Hydraulic Vulcanization Machine C PROCEEDINGS OF THE THIRD INTERNATIONAL CONFERENCE ON MECHANICAL ENGINEERING ANDMECHANICS 錄用 2005 4 余偉煒 高炳軍 陳洪軍等 ANSYS 在機械與化工裝備中的應(yīng)用 M 北 京 中國水利水電出版社 2007 5 博弈創(chuàng)作室 ANSYS7 0 基礎(chǔ)教程與實例詳解 M 北京 中國水利水電出 版社 2004 6 劉齊茂 汽車車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 J 機械設(shè)計與制造 2005 4 1 3 7 卞鋼 船體結(jié)構(gòu)強度有限元分析與優(yōu)化 D 碩士學(xué)位論文 大連 大連 理工大學(xué) 2005 8 陳衡治 徐愛敏 葉昌勇等 杭州灣大橋北航道橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究 J 中國 鐵道科學(xué) 2004 3 76 79 9 李黎明 ANSYS 有限元分析實用教程 M 北京 清華大學(xué)出版社 2005 10 蔡有成 李劍敏 俞亞新等 基于 APDL 的平板硫化機整體參數(shù)化建模 與分析 J 浙江理工大學(xué)學(xué)報 2009 26 2 251 254 11 王學(xué)文 楊兆建 段雷 ANSYS 優(yōu)化設(shè)計若干問題探討 J 塑性工程學(xué) 報 2007 14 6 181 184 12 趙韓 錢德猛 基于 ANSYS 的汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2005 36 6 12 15 汽車座椅調(diào)角器智能化設(shè)計分析與試驗驗證 趙 波范平清趙禮輝 上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院 上海 201600 Intelligent design analysis and experimental verification of automobile seat angle adjuster ZHAO Bo FAN Ping qing ZHAO Li hui College of Automobile Engineering Shanghai University of Engineering Science Shanghai 201600 China 文章編號 1001 3997 2010 12 0062 03 摘要 實現(xiàn)汽車座椅調(diào)角器的智能化設(shè)計 運用相關(guān)參數(shù)化設(shè)計理論及 WAVE 來控制調(diào)角器 的控制參數(shù) 對調(diào)角器進行運動學(xué)分析和有限元分析 將理論分析與試驗的物理模型進行對比 獲得較 為完善的調(diào)角器智能設(shè)計模型 關(guān)鍵詞 調(diào)角器 智能 試驗驗證 Abstract To achieve Intelligent Design of Automobile seat angle adjuster the parameters are con trolled based on associative parametric design method and WAVE Intelligent Design model of seat angle adjuster are gained when Motion simulation and Finite element analysis are finished theoretical analysis and physical model are compared Key words Seat angle adjuster Intelligence Experimental verification 中圖分類號 TH13文獻標(biāo)識碼 A 來稿日期 2010 02 26 基金項目 上海高校知識創(chuàng)新工程 085 工程 建設(shè)項目 JZ0901 1 引言 汽車座椅的安全性被國際汽車業(yè)列為汽車整體性能中最主 要的指標(biāo)之一 汽車座椅既是乘坐裝置又是保護裝置 它由骨架 調(diào)角器 滑軌等組成基本框架 外部填充海綿 并覆蓋皮革或織物 等材料而構(gòu)成 汽車座椅調(diào)角器是用于連接座椅椅座和椅背的裝 置 可調(diào)節(jié) 鎖定椅背的傾斜角度 當(dāng)汽車發(fā)生事故時可吸收部分 能量 對乘員提供安全保護 同時為乘客提供間隙小 無噪音 無 晃動等舒適性功能 由于汽車座椅安全性 舒適性 耐用性很大程 度上取決于座椅調(diào)角器的質(zhì)量和技術(shù)水平 因此調(diào)角器有著較一 般零部件更為嚴(yán)格的安全性 可靠性指標(biāo) 從我國現(xiàn)行國標(biāo)來看 在汽車座椅調(diào)角器的安全性方面主要執(zhí)行 GB15083 1994 汽 車座椅強度要求及試驗辦法 調(diào)角器的強度要求應(yīng)明顯大于座 椅的強度要求 應(yīng)有一定的后備系數(shù) 如果調(diào)角器質(zhì)量差或強度 要求太低 就會直接對座椅安全性構(gòu)成影響 通過設(shè)計生產(chǎn)單位的調(diào)研及大量專利技術(shù)的研究 結(jié)合用戶的 實際要求 主要用于客車中后排座椅的椅背調(diào)節(jié) 決定使用雙聯(lián)動調(diào) MachineryDesign Manufacture 機械設(shè)計與制造 第 12 期 2010 年 12 月 62 角器 雙聯(lián)動調(diào)角器指左右兩套調(diào)整鎖止機構(gòu)在一套調(diào)整機構(gòu)控制下 同時動作 同時鎖止 具有鎖止強度高等優(yōu)點 適用于各類客車乘客座 椅 該調(diào)角器通過旋鈕操縱使鎖止齒板與內(nèi)齒板脫開 靠背在乘坐者 外力作用下向前或向后旋轉(zhuǎn) 調(diào)整至需要的靠背角度 然后松開旋鈕 在回位彈簧的作用下 內(nèi)齒板與鎖止板嚙合使靠背鎖止 利用 UG NX 軟件完成汽車座椅調(diào)角器的智能化設(shè)計及運 動分析 運用相關(guān)參數(shù)化設(shè)計理論及 WAVE 來控制調(diào)角器的控 制參數(shù) 對調(diào)角器的四個機構(gòu) 鎖止機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu) 調(diào)節(jié)機構(gòu)及 復(fù)位機構(gòu)進行設(shè)計分析 使用 Altair 公司的 HyperWorks 工程軟 件進行有限元分析 將理論分析與試驗的物理模型進行對比 通 過試驗修改分析方案 再用分析結(jié)果指導(dǎo)試驗 從而獲得較為完 善的調(diào)角器智能設(shè)計模型 用戶比較滿意 2 汽車座椅調(diào)角器智能化設(shè)計 將該調(diào)角器分為四個機構(gòu) 鎖止機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu) 調(diào)節(jié)機構(gòu) 及復(fù)位機構(gòu) 鎖止機構(gòu)由鎖止齒板 內(nèi)齒板和固定座組成 鎖止齒 板在固定座的滑槽中滑動 與內(nèi)齒板相嚙合完成鎖止 驅(qū)動機構(gòu) 由凸輪和鎖止齒板組成 凸輪推動鎖止齒板運動使調(diào)角器順利完 成解鎖行程和鎖止行程兩個狀態(tài)的運動 同時又滿足在鎖止點 處 調(diào)角器安全鎖止 調(diào)節(jié)機構(gòu)由手柄或旋鈕 軸和凸輪組成 將 手柄或旋鈕的調(diào)節(jié)力矩轉(zhuǎn)化為驅(qū)動機構(gòu)推動鎖止機構(gòu)的動力源 復(fù)位機構(gòu)主要指彈簧機構(gòu) 使用渦卷彈簧 確保解鎖完成后 凸 輪逆時針旋轉(zhuǎn) 使鎖止機構(gòu)鎖止 2 1 調(diào)角器控制參數(shù)的確定 該調(diào)角器的鎖止機構(gòu)用漸開線花鍵鎖止 漸開線花鍵受載 時齒受徑向力 能起自動定心作用 使各齒受力均勻 強度高 壽 命長 經(jīng)過對不同模數(shù)和壓力角漸開線花鍵齒形的評估 決定使 用模數(shù) m 0 5 標(biāo)準(zhǔn)壓力角為 30 的漸開線花鍵 確定的調(diào)角器控制參數(shù)為調(diào)角精度 單位為度 內(nèi)齒板的 最大直徑 單位為 mm 和鎖止齒板的齒數(shù) 調(diào)角精度是用戶要求 的重要指標(biāo)之一 與汽車座椅的舒適性密切相關(guān) 內(nèi)齒板的最大 直徑?jīng)Q定了調(diào)角器的設(shè)計空間 由座椅的布置設(shè)計和調(diào)角精度共 同決定 兩者皆需滿足 鎖止齒板的齒數(shù)必須滿足調(diào)角器的強度 設(shè)計要求 如果用戶對調(diào)角精度的要求為 1 875 2 5 確定調(diào)角 精度 則內(nèi)齒板齒數(shù) z 360 Precision 根據(jù)表 1 進一步確定調(diào)角 器的控制參數(shù) 內(nèi)齒板的最大直徑即外經(jīng)及鎖止齒板的齒數(shù) 如 表 1 所示 可以看到 當(dāng)用戶對調(diào)角精度的要求不同時 可完成九 種調(diào)角器的自動化設(shè)計 表 1 調(diào)角器的控制參數(shù) 序號調(diào)角精度 內(nèi)齒板的最大直徑 mm 鎖止齒板齒數(shù) 11 87510427 21 93510125 329825 42 0699523 52 1439223 62 2228921 72 3088621 82 48319 92 58019 2 2 調(diào)角器智能設(shè)計方法的實現(xiàn) Y N 調(diào)角精度 強度滿足否 鎖止板齒數(shù) 內(nèi)齒板最大直徑和齒數(shù) 固定座的最大直徑 回位彈簧主要尺寸 回位彈簧的總長 軸 旋鈕及花鍵設(shè)計 軸的最小直徑 凸輪及鎖止齒板的 解鎖和鎖止行程設(shè)計 鎖止機 構(gòu)設(shè)計 驅(qū)動機 構(gòu)設(shè)計 調(diào)節(jié)機 構(gòu)設(shè)計 復(fù)位機 構(gòu)設(shè)計 軸的最大 扭矩破壞 固定座決 定回位彈 簧的大徑 凸輪決定 回位彈簧 的小徑 圖 1 調(diào)角器智能設(shè)計流程圖 在充分了解汽車座椅總體控制參數(shù)的基礎(chǔ)上 進行汽車座 椅調(diào)角器的布置設(shè)計 運用相關(guān)參數(shù)化設(shè)計理論及 WAVE 來控 制調(diào)角器的控制參數(shù) 對調(diào)角器的四個機構(gòu) 鎖止機構(gòu) 驅(qū)動機 構(gòu) 調(diào)節(jié)機構(gòu)及復(fù)位機構(gòu)進行設(shè)計分析 利用調(diào)角器各個部件之 間的連接配合關(guān)系 建立起各部件的尺寸參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系 通過設(shè)計參數(shù)的傳遞 根據(jù)用戶要求的調(diào)角精度確定內(nèi)齒板的最 大直徑和鎖止齒板的齒數(shù) 使得調(diào)角器能隨控制參數(shù)的改變而生 成對應(yīng)尺寸下的調(diào)角器 完成鎖止機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu) 調(diào)節(jié)機構(gòu) 復(fù) 位機構(gòu)的設(shè)計及計算 自動更新調(diào)角器總成及各個零部件三維模 型 自動完成相應(yīng)調(diào)角器的設(shè)計計算 以 UG 軟件為設(shè)計研究平 臺 實現(xiàn)調(diào)角器的自動化設(shè)計并更新調(diào)角器總成及各個零部件三 維模型 如圖 1 所示 為調(diào)角器智能設(shè)計流程圖 如圖 2 所示 為 調(diào)角器零部件爆炸圖 彈性擋圈 回位彈簧軸鎖止齒板 內(nèi)齒板 回定座 抱箍 凸輪 圖 2 調(diào)角器零部件爆炸圖 3 調(diào)角器分析與試驗驗證 汽車座椅調(diào)角器設(shè)計時既要滿足向前和向后調(diào)整一定角度 的要求 舒適性要求 又要滿足強度要求 安全性要求 因此需 要使用運動學(xué)和有限元分析兩種方法 為了確保理論分析的正確 性還需要用試驗驗證 通過試驗修改分析方案 再用分析結(jié)果指 導(dǎo)試驗 從而獲得較為完善的調(diào)角器智能設(shè)計模型 3 1 運動學(xué)分析 汽車座椅調(diào)角器設(shè)計時有向前和向后調(diào)整一定角度的要 第 12 期趙 波等 汽車座椅調(diào)角器智能化設(shè)計分析與試驗驗證 63 求 并且應(yīng)具有良好的自鎖性能 該調(diào)角器的驅(qū)動機構(gòu)為平底直 動從動件凸輪機構(gòu) 是具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件 當(dāng)它運動時 通過其上的曲線輪廓或凹槽與從動件的高副接觸 使從動件獲得 預(yù)期的運動 凸輪機構(gòu)由凸輪 從動件 機架三部分構(gòu)成的 鎖止 齒板為直動從動件 固定座就是機架 驅(qū)動機構(gòu)的工作由解鎖 回程 和鎖止 推程 兩部分組成 解鎖 回程 由一段凸輪曲線完成 鎖止 推程 由兩段凸輪曲線 完成 本文使用 UG 軟件進行運動學(xué)分析 將固定座定義為固定 副 凸輪定義為驅(qū)動副 鎖止齒板定義為從動副 凸輪和鎖止齒 板之間為線 線接觸 使用關(guān)節(jié)驅(qū)動方法對調(diào)角器的解鎖行程 順時針方向 和鎖止行程 逆時針方向 進行分析 解鎖時凸輪 順時針旋轉(zhuǎn) 空行程旋轉(zhuǎn)一定角度后推動鎖止齒板向下移動 使 鎖止齒板和內(nèi)齒板脫離嚙合 完成解鎖 完成解鎖后即可對汽 車座椅靠背進行角度調(diào)整 調(diào)整完成后松開手柄或旋鈕 凸輪即 會在回位彈簧的帶動下逆時針旋轉(zhuǎn)推動鎖止齒板向上移動 鎖 止 推程 由兩段凸輪曲線完成 第一段凸輪曲線推動鎖止齒板 上移一定距離后 使鎖止齒板和內(nèi)齒板趨于接觸 然后由第二段 凸輪曲線推動鎖止齒板迅速上移 完成鎖止 如圖 3 所示 為凸 輪的鎖止?fàn)顟B(tài) 78 0000degrees 10 20 30 40 50 60 70 YC 圖 3 凸輪鎖止?fàn)顟B(tài) 3 2 有限元分析 該座椅調(diào)角器靜強度試驗的要求是 在座椅靠背頂端中間 部位逐漸加載 拉力 到要求值時 調(diào)角器能夠滿足強度要求不損 壞 使用 Altair 公司的 HyperWorks 工程軟件進行分析 建立調(diào)角 器核心部件的有限元模型 調(diào)角器中主要部件如鎖止齒板 內(nèi)齒 板 固定座之間的連接采用接觸算法 網(wǎng)格類型采用三維網(wǎng)格 采 用六面體單元和少量的五面體 三棱柱 單元 和二維網(wǎng)格 接觸 面 網(wǎng)格大小主要是 0 1 鎖止齒板與內(nèi)齒板嚙合齒接觸面 和 1 無小特征部位及不敏感部位 在分析調(diào)角器靜強度過程中 將 調(diào)角器的固定座固定 約束 X Y Z 方向的平動自由度和 X Z 方 向的轉(zhuǎn)動自由度 給內(nèi)齒板加載 y 方向的轉(zhuǎn)矩 由于采用的是雙 聯(lián)動調(diào)角器 因此只需要加載要求值的一半 分析結(jié)果如下 鎖止 齒板和內(nèi)齒板嚙合的齒處應(yīng)力比較大 三個鎖止齒板及與之相嚙 合的內(nèi)齒板應(yīng)力分布情況相似 鎖止齒板兩側(cè)的齒應(yīng)力較大 如 圖 4 所示 中間部位齒的應(yīng)力較小 原因是鎖止齒板受到固定座 凸臺的阻擋 使其位移受到限制 因而受力時首先是兩側(cè)的齒變 形 最后才是中間的齒變形 固定座的最大應(yīng)力在固定座凸臺部 位 與鎖止齒板連接處 如圖 5 所示 分析結(jié)果均滿足材料的強 度極限要求 6 146E 02 5 463E 02 4 780E 02 4 098E 02 3 415E 02 2 732E 02 2 049E 02 1 367E 01 6 837E 01 9 637E 02 No result E temp 4 13 origin 3 gear board 3weild circle h3d Result E temp 4 13 orgin 3 gear board 3weild circles h3d ubcase 1 subcase Static Analysis Frame 4 XY Z 圖 4 鎖止齒板的應(yīng)力云圖 2 641E 02 2 350E 02 2 059E 02 1 768E 02 1 476E 02 1 185E 02 8 939E 02 6 027E 01 3 115E 00 2 029E 00 No result Max 2 641E 02 Min 2 029E 00 X Y Z 1 Result E temp 6 3 result 6 3 finished h3d Subcase 1 subcase Static Analysis Frame1 圖 5 固定座的應(yīng)力云圖 3 3 試驗驗證 從有限元分析結(jié)果可以看出 由于最大應(yīng)力處的空間體積 及面積都非常小 并且試驗時鎖止齒板和內(nèi)齒板處于鎖止?fàn)顟B(tài) 無法貼應(yīng)變片 因此調(diào)角器靜強度試驗的結(jié)果不能通過測量獲 得 只能將理論分析與試驗的物理模型直接進行對比 由于焊接 及零部件制造誤差等因素的影響 試驗結(jié)果與分析結(jié)果有一定差 異 因此設(shè)計時保留一定的安全系數(shù) 通過試驗修改分析方案 再 用分析結(jié)果指導(dǎo)試驗 從而獲得較為完善的調(diào)角器智能設(shè)計模