基于CATIA有限元分析模塊的結構優(yōu)化設計

朱文祥　張微娜

摘 要：以汽車座椅靠背骨架解鎖手柄為例，介紹CATIA軟件中有限元分析模塊和DMU運動模塊在汽車零部件設計過程中的應用以及結構優(yōu)化設計，通過利用CATIA軟件對解鎖手柄的應力應變分析結果對其進行優(yōu)化設計，從而滿足企業(yè)標準。

關鍵詞：解鎖手柄；有限元分析；CATIA

中圖分類號： U462 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）25-201-2

0 引言

CATIA軟件作為功能強大的計算機輔助設計軟件，已經(jīng)被廣泛地應用到汽車零部件設計領域，在汽車零部件產(chǎn)品設計過程中，CATIA不僅可提供3D、2D的設計工作，還可進行產(chǎn)品的有限元分析以及DMU運動仿真分析，提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量，大大降低了產(chǎn)品的開發(fā)費用。

本文以汽車座椅骨架的零部件設計為例，利用CATIA軟件，進行3D建模、2D設計，通過有限元分析進一步對產(chǎn)品進行優(yōu)化設計，最終達到設計的最優(yōu)方案。

1 產(chǎn)品三維設計方案建立

汽車座椅作為汽車重要的系統(tǒng)之一，可實現(xiàn)前后滑動、升降調(diào)節(jié)以及靠背角度調(diào)節(jié)等多方向調(diào)節(jié)，其中手動靠背角度調(diào)節(jié)功能的實現(xiàn)是通過解鎖手柄運動帶動調(diào)角器圓盤運動，調(diào)角器圓盤與靠背邊板進行連接，從而實現(xiàn)靠背角度調(diào)節(jié)。通過周邊環(huán)境的校核以及調(diào)角器自身的性能，確定調(diào)角器解鎖手柄的初步方案，初步設定解鎖手柄材質(zhì)為Q345，料厚為2.5mm。

利用CATIA三維建模模塊進行數(shù)據(jù)的設計，初步方案見圖1所示。

2 產(chǎn)品零部件標準的建立

解鎖手柄的側向剛度需要建立標準，側向剛度太弱，乘客在調(diào)節(jié)靠背過程中，調(diào)角器手柄與座椅旁側板干涉，產(chǎn)生劃痕，乘客抱怨，為避免此類失效問題發(fā)生，汽車行業(yè)標準QC/T 844-2011特針對此制定了相關的標準，具體如下。

標準要求：手動調(diào)角器手柄的側向變形量（S=S1+S2）不大于15mm，只有一側施加力時，變形量S1或S2均不大于10mm。

實驗方法：如圖2所示，將模擬的靠背骨架總成置于剛性夾具上，按如下步驟進行操作：①在圖示距離手柄末端20mm處均勻施加一水平向左的力F1（49N），最大變形量S1；②然后向右方向施加力F2（49N）的力，最大變形量為S2；③變形量在施力點通過百分比測量。

根據(jù)建立的標準，利用CATIA有限元分析模塊，對解鎖手柄進行有限元分析，此項分析只針對調(diào)角器解鎖手柄，對3D模型進行簡化，去除調(diào)角器、靠背邊板、座靠連接板等零部件，利用CATIA軟件Generative Structwral Analysis 模塊進行網(wǎng)格劃分和有限元模型建立。

3 零部件有限元模型的建立及優(yōu)化處理

3.1 材質(zhì)設定

CATIA軟件可對零部件直接賦予材質(zhì)的屬性（圖3），也可通過CATIA 基礎結構模塊根據(jù)選用材料的類別自定義材料的屬性（圖4）。

本文采用第一種方法，直接賦予零件Steel材質(zhì)。

3.2 網(wǎng)格劃分和有限元模型建立

網(wǎng)格劃分越細，計算結果越準確，當然計算時間越長，對于解鎖手柄零部件，結構相對簡單，通過CATIA自動網(wǎng)格劃分所得出的計算結果精度誤差不會太大?？赏ㄟ^分析報告命令對結果進行查看。

3.3 有限元分析結果

按照標準要求，對零部件進行邊界設置，并施加載荷。通過CATIA結果顯示功能分別顯示馮·米斯應力圖、變形位移云圖，對比材料的屈服極限以及標準法規(guī)，查看初步方案是否滿足設計要求。

通過節(jié)點位移云圖，可知解鎖手柄最大位移變形量為10.8mm，不滿足標準單邊施加力值，變形量≤10mm，需要對設計進行優(yōu)化；

圖5顯示解鎖手柄的Von Mises應力云圖，通過結果顯示解鎖手柄在彎角處所受到的應力最大，達到了361MPa，可通過增加翻遍以及增加加強筋的方式進行優(yōu)化處理。

3.4 解鎖手柄的結構優(yōu)化

CATIA軟件最大的優(yōu)點之一為參數(shù)化設計，設計人員可通過參數(shù)的調(diào)整來確認有限元分析結果是否符合設計要求，而無須再重新對零部件進行網(wǎng)格劃分、邊界處理等步驟，大大節(jié)省了設計人員的時間。

通過三維設計模塊直接進行數(shù)據(jù)參數(shù)調(diào)整，通過增加加強筋以及翻邊處理，對零部件進行結構優(yōu)化，由更改后零部件的位移云圖和Von Mises應力云圖可知，更改后零部件的最大位移變形量5.16mm，最大應力為223MPa，兩者均滿足標準設計要求，證明零部件結構優(yōu)化方案有效。

4 DMU運動環(huán)境校核

CATIA軟件DMU模塊提供了較為便利的運動仿真功能，可利用此模塊來進行干涉、距離檢查。主要步驟如下：

步驟1：創(chuàng)建運動機構及運動副；步驟2：定義命令；步驟3：定義固定件；步驟4：機構運動模擬；

通過干涉以及距離分析功能進行模擬，分析零部件與周邊環(huán)境是否干涉以及與周邊環(huán)境的最小距離，本實例解鎖手柄最大解鎖角度為30°，通過DMU模擬解鎖手柄運行軌跡，通過圖6可見，解鎖手柄由初始位置到最大解鎖角度30°位置運行范圍內(nèi)，解鎖手柄與其他零部件最小距離在最大解鎖角度位置，距離值為0.998mm，基于相鄰運動零部件最小距離≥5mm的設計規(guī)范，可再對解鎖手柄進行結構優(yōu)化，保證解鎖手柄運行過程中與其他零部件最小距離≥5mm，此處不再進行詳細處理。

5 結束語

利用CATIA V5高級建模功能，在對解鎖手柄進行參數(shù)化建模的基礎上，對解鎖手柄進行了有限元模型的建立和有限元分析，得出了解鎖手柄應力等值分布圖以及變形位移圖，通過圖形可直觀的分析出解鎖手柄是否滿足設計要求，同時利用DMU運動仿真，檢查解鎖手柄與相鄰零部件是否干涉以及最小距離，避免了以往被動的校核設計方法，同時利用CATIA的參數(shù)化設計，可直接更改參數(shù)，無須再去對零部件進行網(wǎng)格劃分以及邊界設置，大大降低了設計人員的效率，保證了設計的穩(wěn)定性和可靠性。

參 考 文 獻

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