基于ABAQUS的收割機(jī)座椅結(jié)構(gòu)優(yōu)化及舒適性設(shè)計(jì)

陶 偉 陳世斌

（1.武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院農(nóng)機(jī)智能控制與制造福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建武夷山 354300；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 陜西西安 710064）

收割機(jī)是一體化收割農(nóng)作物的機(jī)械，一次性完成收割、脫粒，并將谷粒集中到儲(chǔ)藏倉，然后在通過傳送帶將糧食輸送到運(yùn)輸車上。具有作業(yè)速度快、作業(yè)條件惡劣、負(fù)載變化快等特點(diǎn)，導(dǎo)致作業(yè)中振動(dòng)大、速度不平緩等，收割機(jī)駕駛座椅的安全性和舒適性不僅關(guān)系到駕駛者的舒適安全和身心健康，同時(shí)也直接影響整機(jī)的機(jī)械性能和作業(yè)效能的發(fā)揮[1-2]。醫(yī)學(xué)專家研究表明：駕駛員患腰痛的幾率較平常人高2-3倍，汽車司機(jī)腰痛的發(fā)病率高達(dá)65%，發(fā)病原因主要和坐姿不良有關(guān)[3]。在座椅設(shè)計(jì)方面，更多學(xué)者對(duì)汽車座椅設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，座椅的剛度越大，人體振動(dòng)越激烈，乘員的不適感越大，減少座椅剛度也是提高舒適性的必要手段[4]；殷康生建立1∕2汽車5自由度振動(dòng)模型，運(yùn)用將不同優(yōu)化算法組合的方法對(duì)駕駛員座椅和懸架系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)汽車的座椅舒適性進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[5]；李雪成對(duì)汽車座椅振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行了研究，通過分析和試驗(yàn)優(yōu)化座椅部分零件尺寸參數(shù)，使座椅的模態(tài)頻率避開了與車身的共振頻率[6]；Shojaeefard和Abbas通過遺傳算法對(duì)座椅和懸架系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善汽車行駛中的座椅的平順性[7-8]；然而，汽車與收割機(jī)使用環(huán)境、行駛參數(shù)等完全不同，相關(guān)座椅設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法只能提供有限的借鑒。一些學(xué)者對(duì)工程機(jī)械中的挖掘機(jī)座椅舒適性進(jìn)行了研究，馬銀忠等從視野安全的角度討論了挖掘機(jī)駕駛室及座椅的相關(guān)設(shè)計(jì)[9]；范沁紅在挖掘機(jī)駕駛座椅設(shè)計(jì)中綜合考慮人體生理及心理特征，在將人體的主觀與客觀反映相結(jié)合的基礎(chǔ)上選擇更恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)尺寸[10]，為駕駛者提供更安全舒適的座椅設(shè)計(jì)提供方法，但是收割機(jī)相比于挖掘機(jī)而言，收割機(jī)行駛速度變動(dòng)更頻繁，底座尺寸質(zhì)量小，更易于形成車身振動(dòng)，二者座椅設(shè)計(jì)及優(yōu)化存在差別。

因此，現(xiàn)有的研究表明收割機(jī)駕駛座椅舒適性的研究涉及較少。本文擬通過ABAQUS軟件，以人體駕駛舒適性為目標(biāo)，結(jié)合收割機(jī)工況特性，對(duì)座椅進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)，找出結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)，得到收割機(jī)座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，提高行駛中收割機(jī)座椅的振動(dòng)特性和舒適性，最終提高座椅的乘坐安全性和舒適性。

一、ABAQUS有限元振動(dòng)模態(tài)

（一）有限元分析的理論。座椅的動(dòng)態(tài)舒適性受其振動(dòng)頻率和幅度的變化影響較大。駕駛座椅在設(shè)計(jì)時(shí)為防止出現(xiàn)共振現(xiàn)象必須使其受迫振動(dòng)頻率避開固有頻率，并降低座椅的振動(dòng)幅度。模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)都可用模態(tài)振型、模態(tài)阻尼比和共振頻率來表示。座椅被振源激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)可通過多階模態(tài)振型的線性組合方式表示，可得出座椅受影響的頻率范圍內(nèi)各階模態(tài)的振動(dòng)特性，可以發(fā)現(xiàn)起主要作用的是前幾階模態(tài)。研究座椅動(dòng)態(tài)特性時(shí)最好使用真車中的實(shí)用座椅（包括海棉、蒙皮等），但座椅增加海棉和蒙皮等主要是通過減振和支撐來增加乘坐舒適性，對(duì)這部分結(jié)構(gòu)采用有限元分析建模，會(huì)增加較多建模工作量和時(shí)間，但研究成果對(duì)于座椅結(jié)構(gòu)優(yōu)化影響較小。座椅結(jié)構(gòu)中最重要的組成部分是骨架，只需對(duì)骨架進(jìn)行模態(tài)分析就能反映座椅的動(dòng)態(tài)特性和振動(dòng)舒適性，本文僅針對(duì)座椅骨架進(jìn)行模態(tài)分析。

實(shí)際座椅結(jié)構(gòu)具有不同的固有頻率，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需盡量避免座椅的振動(dòng)頻率過于接近人體的主要部位的振動(dòng)頻率，通過考慮非加載結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，可以確定在工作中座椅的固有頻率，此時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程為[11]：

對(duì)于無阻尼系統(tǒng)，I=Ku，因此有

這個(gè)方程的解有如下形式：

將（3）代入（1）中，得到特征值對(duì)應(yīng)方程：

其中λ=ω2。該系統(tǒng)有N個(gè)特征值，其中n是有限元模型中的自由度數(shù)。記λj是第j個(gè)特征值；它的平方根ωj就是結(jié)構(gòu)的第j階模態(tài)的固有頻率。

（二）建立有限元分析模型及計(jì)算結(jié)果。收割機(jī)座椅本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此為保證模擬計(jì)算精度和效率的前提下，對(duì)其模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。利用三維軟件Solidworks對(duì)汽車座椅建模并裝配（如圖1所示），其中靠背骨架長(zhǎng)為520mm，寬為490mm，坐墊骨架長(zhǎng)寬均為480mm。而靠背骨架、坐墊骨架和導(dǎo)軌材料均為08Al，與骨架相連的調(diào)角器材料為St12。具體材料參數(shù)如表1所示。將建好的裝配體導(dǎo)入有限元軟件ABAQUS中，賦予相應(yīng)的材料參數(shù)，靠背骨架、滑軌和連接板的網(wǎng)格劃分技術(shù)為Hex，Sweep，其余采用Quard，F(xiàn)ree，相應(yīng)的單元類型為C3D20和C3D10，各接觸部分采用耦合約束，最終網(wǎng)格劃分情況如圖2所示：

表1 材料參數(shù)表

圖1 設(shè)計(jì)的收割機(jī)座椅骨架

圖2 收割機(jī)座椅骨架網(wǎng)格模型

限制座椅模型底部導(dǎo)軌的自由度，并對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，得到的部分振型圖如圖3的a～h所示，其中模型變形縮放系數(shù)取為70，觀察模態(tài)分析的各階振型的變形情況以及前15階振型的頻率提取統(tǒng)計(jì)情況如表2所示：

圖3 部分振型圖變形

表2 模型振型及振動(dòng)情況統(tǒng)計(jì)表

從振型圖中容易看出，座椅的振型主要為前后、上下的振動(dòng)以及繞Z軸的扭轉(zhuǎn)變形，部分振型顯示出復(fù)合變形。振型圖顯示在20～55Hz范圍內(nèi)的主要變形在靠背架上部，位移在1.1mm左右。而在稍高頻的55～60Hz范圍內(nèi)，振動(dòng)變形主要在坐墊骨架上，位移約1mm，這可能和座椅相對(duì)于收割機(jī)座椅固定處的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。在正常的駕駛環(huán)境中，人和座椅基本認(rèn)為是一體的，對(duì)比人體主要器官的共振頻率：眼為20～25Hz、肩部為2～6Hz、胸部為4～6Hz、軀干為3～6Hz、脊柱為3～5Hz、胃為4～5Hz、手臂為10～20Hz[12]。文中所設(shè)計(jì)座椅的1階共振頻率為20.427Hz，基本避開了人體器官的共振頻率，不會(huì)引起人體相應(yīng)器官較大的相對(duì)位移，不會(huì)使人體產(chǎn)生不適感，表明該座椅的設(shè)計(jì)較為合理，基本不會(huì)引起乘員的不適性，而且也一定程度上決定了成員的安全性。但是，設(shè)計(jì)座椅1階共振頻率沒有完全避開眼部的共振頻率，可適當(dāng)增大座椅的剛度來提高座椅的1階頻率，從而避開人體各器官的共振頻率，避免駕駛員不適性。

二、座椅舒適性優(yōu)化

為提高駕駛員的舒適性，并符合人機(jī)工程學(xué)，座椅骨架表面均設(shè)有緩沖墊，使座椅具有柔軟觸感，為加強(qiáng)載荷均布在彈簧上，緩沖墊外均有蒙皮包裹[4]。上述已給出座椅的結(jié)構(gòu)參數(shù)，此處只討論座椅靠背的緩沖墊的設(shè)置對(duì)乘員舒適性的影響。在正常駕駛工況下，駕駛員脊柱通常背靠座椅，此時(shí)脊椎是與靠背交互作用的主要受力部分，根據(jù)人體脊柱的外形，可假定脊柱與靠背的受力類型為單線接觸、雙線接觸、三線接觸以及面接觸，接觸形式側(cè)面示意圖如圖4所示。并在一定載荷下，分析靠背對(duì)脊柱所產(chǎn)生的位移量，根據(jù)位移量的大小來定性判定乘員的舒適性。

圖4 脊柱與靠背側(cè)面配合示意圖

將人體脊柱簡(jiǎn)化為二維模型，相應(yīng)的線接觸簡(jiǎn)化為點(diǎn)接觸，面接觸簡(jiǎn)化為線接觸。圖4中，脊柱與A1配合看做單點(diǎn)受力分析；脊柱與B1和B2配合看做兩點(diǎn)受力，容易看出B1的位移量較B2大，故只做脊柱和B1的配合分析；脊柱和C的配合看做三點(diǎn)受力分析；D為依據(jù)人體脊柱的外形而制作的靠背，脊柱和靠背可以看做線接觸，以上分析的加載位置如圖5所示。

圖5 加載位置示意圖

為研究方便，且不影響分析結(jié)果的前提下，此處省去靠背模型，只對(duì)脊柱進(jìn)行載荷分析。將脊柱的CAD模型導(dǎo)入到有限元ABAQUS軟件中進(jìn)行靜力學(xué)分析，人體脊柱為各向異性材料且類似于白蠟?zāi)静牧蟍13]，此處用白蠟?zāi)咎娲梭w脊柱，相應(yīng)的材料參數(shù)為如表3所示：

表3 白蠟?zāi)静牧蠀?shù)表

對(duì)脊柱施加限制頸部和尾部自由度的邊界條件，并對(duì)其加載X軸負(fù)向力200N，其不同形式的載荷施加情況如圖5所示，為使分析收斂，采用載荷點(diǎn)和附近小區(qū)域耦合約束來加載。對(duì)脊柱采用的單元類型為Quadratic，網(wǎng)格劃分技術(shù)為Quard，F(xiàn)ree和Medialaxis算法，最終分析結(jié)果脊柱位移云圖如圖6所示。位移云圖顯示，在加載200N的載荷下，脊柱受單點(diǎn)、兩點(diǎn)、三點(diǎn)及面接觸作用后的位移量分別為：10.40mm、8.62mm、7.15mm和0.93mm。分析結(jié)果表明隨著承載點(diǎn)的增多，脊柱位移量逐步減少，且單點(diǎn)和面接觸位移相差100倍左右。點(diǎn)載荷的最大位移部位集中在脊柱的中部，而線接觸的集中在脊柱的上部，這可能是脊柱自身的結(jié)構(gòu)外形所決定的，且而面接觸下的脊柱位移量明顯低于其他三種情況，這與靠背緩沖墊充分發(fā)揮作用有關(guān)，同時(shí)與載荷均布于整個(gè)脊柱，使人體背部有較好的支撐有決定性關(guān)系。因此，為提高乘員的舒適性，盡量讓乘員水平方向上的載荷受力均勻分散，將靠背的外形輪廓盡量和人體脊柱的生理曲線外形相近，貼合性較好，整體舒適性高。

圖6 不同接觸形式下脊柱位移云圖

三、結(jié)論

文中以某型號(hào)的收割機(jī)座椅為研究對(duì)象，應(yīng)用ABAQUS軟件計(jì)算所設(shè)計(jì)座椅骨架在0-60Hz內(nèi)的模態(tài)參數(shù)，結(jié)果顯示第一階模態(tài)頻率為20.43Hz，模態(tài)振型表現(xiàn)為座椅靠背進(jìn)行前后振動(dòng)；第三階模態(tài)頻率為27.85Hz，模態(tài)振型表現(xiàn)為座椅靠背進(jìn)行上下振動(dòng)；第五階模態(tài)頻率為28.65Hz，模態(tài)振型表現(xiàn)為座椅進(jìn)行上下和前后的振動(dòng)疊加，計(jì)算結(jié)果表明各階振型表現(xiàn)形式各不相同，但都避開了人體器官的共振頻率；對(duì)座椅靠背形狀設(shè)計(jì)對(duì)人體脊椎受力進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比結(jié)果顯示脊柱受單點(diǎn)與面接觸作用后的位移量分別為10.40mm和0.93mm，二者相差100倍左右，研究結(jié)果表明在靠背優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)駕駛員舒適性有重要影響，在滿足振動(dòng)模態(tài)情況下必須考慮靠背的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為收割機(jī)座椅舒適性設(shè)計(jì)提供了借鑒。