CN104166778A - 汽车座椅导轨接触部位刚度和阻尼优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车座椅导轨接触部位刚度和阻尼优化方法，本发明所要阐述的是通过将试验与有限元优化相结合的方法来快速获取汽车座椅导轨内部钢珠与内外轨之间结合部等效参数的一套完整方法。在建模过程中，利用弹簧阻尼单元代替内部钢珠与内外轨之间的接触，该弹簧阻尼单元由刚度和阻尼两个参数来决定其属性，本发明所得到的汽车座椅导轨内部钢珠与内外轨之间结合部等效参数即为弹簧阻尼单元的刚度和阻尼的优化值，以该刚度和阻尼的优化值建立仿真模型，可以较准确模拟汽车座椅导轨内结合部的正确连接关系，有效保证仿真结构的准确性。

Description

汽车座椅导轨接触部位刚度和阻尼优化方法

技术领域

本发明涉及汽车座椅导轨接触部位刚度和阻尼的优化方法，尤指一种基于试验和有限元分析的汽车座椅导轨接触部位刚度和阻尼的优化方法。

背景技术

汽车座椅导轨是汽车座椅与车身之间的连接件(主要由内轨、外轨、钢珠、保持架、卡舌等组成。随着有限元计算技术的发展，应用有限元技术对座椅各部件的动态特性进行建模仿真成为解决汽车座椅动力学问题的有效手段，而能否建立准确科学的座椅导轨有限元模型则成为影响仿真分析准确性的主要因素。

在汽车座椅导轨有限元建模过程中，导轨内部钢珠与内外轨之间结合部的建模一直是建模的难点，以往在对导轨模型进行模态仿真和动力学仿真时，或者是以简单接触对来代替，或者直接以刚性连接代替。但是这样显然无法准确模拟导轨内结合部的正确连接关系，仿真结果的准确性难以得到保证。另外一种比较典型的方法是以若干弹簧阻尼单元构成的动力学模型来代替接触。弹簧阻尼单元由刚度和阻尼两个参数来决定其属性。但是目前对弹簧刚度的获取多采用解析法，对于阻尼多采用经验值，如此有限元模型的准确性同样无法得到保障。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种汽车座椅导轨接触部位刚度和阻尼的优化方法，解决现有采用解析法获取刚度和采用经验值获取阻尼而带来的不准确的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明一种汽车座椅导轨接触部位刚度和阻尼优化方法，包括：

对汽车座椅导轨的样件进行模态试验，获取模态试验中所述汽车座椅导轨的样件的固有频率及振型；

建立所述汽车座椅导轨的有限元模型，在所述有限元模型中于所述汽车座椅导轨中的钢珠与内外轨的结合部嵌入弹簧阻尼单元用以等效所述钢珠；

通过优化算法以模态试验中所述汽车座椅导轨的样件的固有频率及振型为目标值，以所述弹簧阻尼单元的刚度为设计变量，进行所述弹簧阻尼单元的刚度优化，从而获得优化后的等效刚度；

在给定激励条件下对汽车座椅导轨的样件进行扫频试验，获取响应点的样件响应曲线；

以相同的激励对所述汽车座椅导轨的有限元模型进行动力学分析，输出对应所述汽车座椅导轨的有限元模型的响应点的有限元模型响应曲线；

通过优化软件对所述样件响应曲线和所述有限元模型响应曲线进行拟合，在拟合过程中所述弹簧阻尼单元的阻尼作为设计变量，进行所述弹簧阻尼单元的阻尼优化，从而获得优化后的等效阻尼；

以优化所得等效刚度及阻尼重新建立汽车座椅导轨的有限元模型。

通过试验和有限元优化相结合的方法，可以快速获取汽车座椅导轨内部钢珠与内外轨之间结合部的刚度和阻尼参数，相比现有采用解析法获取刚度和采用经验值获取阻尼的方法所得刚度和阻尼值更加准确。据此，汽车座椅导轨建模可以准确模拟导轨内部钢珠与内外轨之间结合部的正确连接关系，仿真结果的准确性得到较好的保证。

本发明汽车座椅导轨接触部位刚度和阻尼优化方法的进一步改进在于，运用如下目标函数进行所述弹簧阻尼单元的刚度优化：

F(f₁，f₂)＝(F₁-f₁)²+(F₂-f₂)²

其中：F₁，F₂为模态试验中所述汽车座椅导轨的固有频率值，f₁，f₂为基于所述有限元模型计算模态固有频率值。

本发明汽车座椅导轨接触部位刚度和阻尼优化方法的进一步改进在于，运用如下目标函数进行所述弹簧阻尼单元的阻尼优化：

$\mathrm{OBJ}=\sqrt{{(\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{y_i}{{\mathrm{\η}}_i}\right)}^2}{n}-1)}^2}$

其中：y_i为有限元计算响应曲线上各对应点的纵坐标，η_i为试验输出曲线各点对应纵坐标，n为每条曲线上所取点的个数。

附图说明

图1为对汽车座椅导轨样件力锤激励模态试验稳定图；

图2为对汽车座椅导轨样件力锤激励的第一阶振型；

图3为对汽车座椅导轨样件力锤激励的第二阶振型；

图4为汽车座椅导轨的有限元模型结构示意图；

图5为汽车座椅导轨有限元模型内设置弹簧阻尼单元的结构示意图；

图6为优化后第一阶的模态振型和试验模态振型的对比图；

图7为优化后第二阶的模态振型和试验模态振型的对比图；

图8为对汽车座椅导轨样件给定激励的激励、响应信号图；

图9为优化前的有限元模型的响应信号图；以及

图10为优化后的有限元模型的响应信号图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明所要阐述的是通过将试验与有限元优化相结合的方法来快速获取汽车座椅导轨内部钢珠与内外轨之间结合部等效参数的一套完整方法。在建模过程中，利用弹簧阻尼单元代替内部钢珠与内外轨之间的接触，该弹簧阻尼单元由刚度和阻尼两个参数来决定其属性，本发明所得到的汽车座椅导轨内部钢珠与内外轨之间结合部等效参数即为弹簧阻尼单元的刚度和阻尼的优化值，以该刚度和阻尼的优化值建立仿真模型，可以较准确模拟汽车座椅导轨内结合部的正确连接关系，有效保证仿真结果的准确性。在本发明提供的方法指导下，完成了某型号汽车座椅导轨有限元模型结合部的建立。下面结合附图对本发明汽车座椅导轨接触部位刚度和阻尼优化方法进行说明。

本发明汽车座椅导轨接触部位刚度和阻尼优化方法，包括：

根据刚度显著影响系统固有频率及其振型的特点，对汽车座椅导轨样件进行模态试验，以获取试验模态中汽车座椅导轨样件的固有频率及其振型。

通过模态试验获得了汽车座椅导轨样件的模态参数，如图1所示，模态试验为对汽车座椅导轨样件进行力锤激励，图1显示了力锤激励模态试验稳定图。汽车座椅导轨样件对路面激励敏感频率为40Hz以下的低频段，在此频段内我们找到前两阶固有频率及振型，为后续刚度优化提供实验数据，即如表1所示的第一阶频率和第二阶频率，图2和图3所示的第一阶振型和第二阶振型。

阶次	频率(Hz)	阻尼比(％)
			第一阶	7.22	3.74
第二阶	12.65	2.57

表1汽车座椅导轨样件模态试验中第一阶和第二阶固有频率

在有限元优化软件中将模态试验所得固有频率作为目标值，通过优化算法使有限元计算模态固有频率与目标值趋于一致，在此过程中结合部位嵌入的弹簧阻尼单元的刚度将作为设计变量，从而获得弹簧阻尼单元的刚度。

如图4和图5所示，基于前处理软件HyperMesh建立汽车座椅导轨的有限元模型10，在钢珠与内外轨的结合部嵌入弹簧阻尼单元101(Cbush)，以弹簧阻尼单元101仿真模拟钢珠，该汽车座椅导轨内共有20个钢珠，根据钢珠的位置将刚在分为四组，也就是对弹簧阻尼单元101分为四组，即第一组A，第二组B，第三组C，第四组D。

每一组弹簧阻尼单元101都有X、Y、Z三个方向的刚度，为每组弹簧阻尼单元101赋予不同的刚度参数，在优化软件OptiStruct中以试验模态第一阶和第二阶模态固有频率为目标，弹簧阻尼单元的刚度系数为设计变量，运用最小二乘法进行等效刚度优化。其中最小二乘目标函数为：

F(f₁,f₂)＝(F₁-f₁)²+(F₂-f₂)²

其中：F₁，F₂为试验模态的第一阶固有频率值，第二阶固有频率值；f₁，f₂为计算模态的第一阶固有频率值，第二阶固有频率值。

优化后得到各组弹簧阻尼单元101的等效刚度如表2所示：

组号	X向	Y向	Z向
				第一组A	205.5	155.2	158.3
第二组B	223.3	151.9	154.7
				第三组C	201.3	152.1	152.9
第四组D	205.0	155.7	155.9

表2优化后汽车座椅导轨接触部位刚度参数（N/m）

优化后汽车座椅导轨模态固有频率如表3所示，优化前后汽车座椅导轨的第一阶和第二阶的模态振型对比如图6和图7所示，图6显示了第一阶模态振型优化前后的对比效果，图7显示了第二阶模态振型优化前后的对比效果。

阶数	试验值(Hz)	优化值(Hz)	振型
				第一阶	7.22	7.220026	绕轴扭转
第二阶	12.65	12.65000	切向转动

表3优化后的汽车座椅导轨模态固有频率值(Hz)

根据阻尼显著影响系统振幅的特点，在给定激励条件下对汽车座椅导轨样件进行扫频试验以获取响应点的样件响应曲线。如图8所示，显示了给定激励条件下的响应信号。为简单说明问题，对实测激励与响应信号进行一定稀疏处理，图8中振幅较大的为激励点的激励信号，振幅较小的为响应点的响应信号。

在有限元软件中以相同的激励对有限元模型10进行动力学分析，输出对应响应点的有限元模型响应曲线，然后将两条曲线即有限元模型响应曲线和样件响应曲线输入优化软件中进行曲线拟合，在此过程中结合部位嵌入的弹簧阻尼单元的阻尼将作为设计变量，从而获得弹簧阻尼单元的阻尼。

首先以图8所示激励信号输入OptiStruct进行瞬态分析(这里以经验值指定阻尼初始值)，输出了与试验对应响应点的响应信号，如图9所示，显示了优化前有限元模型响应信号30和试验实测样件响应信号20。

然后通过优化软件HyperStudy对这两条曲线(优化前有限元模型响应信号30和试验实测样件响应信号20)进行了拟合，拟合结果如图10所示，显示了优化后有限元模型响应信号31，在此过程中结合部位嵌入的弹簧阻尼单101的阻尼将作为设计变量。拟合过程实则在两条曲线上取一系列点作最小二乘偏差，其目标函数定义为：

$\mathrm{OBJ}=\sqrt{{(\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{y_i}{{\mathrm{\η}}_i}\right)}^2}{n}-1)}^2}$

其中：y_i为有限元计算响应曲线上各对应点的纵坐标，η_i为试验输出曲线各点对应纵坐标，n为每条曲线上所取点的个数。

优化完成以后，计算输出响应信号与实测响应信号拟合情况良好，优化后等效阻尼如下表4所示：

组号	X向	Y向	Z向
				第一组A	14.2	3.4	4.7

第二组B	17.3	13.7	1.8
				第三组C	2.7	9.5	1.3
第四组D	6.1	19.1	5.3

表4优化后汽车座椅导轨接触部位阻尼参数(Ns/m)

以优化所得等效刚度及阻尼参数重新建立有限元模型。

以上的例子进一步阐述了本发明的具体实现形式。可以看到，在本发明的指导下对某型号汽车座椅导轨结合部接触刚度与阻尼进行了优化，使得汽车座椅导轨有限元模型具有与试验相吻合的各阶固有频率、振型及动态响应。通过试验和有限元优化相结合的方法，快速获取汽车座椅导轨内部钢珠与内外轨之间结合部的刚度和阻尼参数，相比现有采用解析法获取刚度和采用经验值获取阻尼的方法所得刚度和阻尼值更加准确。据此，汽车座椅导轨建模可以准确模拟导轨内部钢珠与内外轨之间结合部的正确连接关系，仿真结果的准确性得到较好的保证。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种汽车座椅导轨接触部位刚度和阻尼优化方法，其特征在于，包括：

对汽车座椅导轨的样件进行模态试验，获取模态试验中所述汽车座椅导轨的样件的固有频率及振型；

建立所述汽车座椅导轨的有限元模型，在所述有限元模型中于所述汽车座椅导轨中的钢珠与内外轨的结合部嵌入弹簧阻尼单元用以等效所述钢珠；

通过优化算法以模态试验中所述汽车座椅导轨的样件的固有频率及振型为目标值，以所述弹簧阻尼单元的刚度为设计变量，进行所述弹簧阻尼单元的刚度优化，从而获得优化后的等效刚度；

在给定激励条件下对汽车座椅导轨的样件进行扫频试验，获取响应点的样件响应曲线；

以相同的激励对所述汽车座椅导轨的有限元模型进行动力学分析，输出对应所述汽车座椅导轨的有限元模型的响应点的有限元模型响应曲线；

通过优化软件对所述样件响应曲线和所述有限元模型响应曲线进行拟合，在拟合过程中所述弹簧阻尼单元的阻尼作为设计变量，进行所述弹簧阻尼单元的阻尼优化，从而获得优化后的等效阻尼；

以优化所得等效刚度及阻尼重新建立汽车座椅导轨的有限元模型。

2.如权利要求1所述的汽车座椅导轨接触部位刚度和阻尼优化方法，其特征在于，运用如下目标函数进行所述弹簧阻尼单元的刚度优化：

F(f₁，f₂)＝(F₁-f₁)²+(F₂-f₂)²

其中：F₁，F₂为模态试验中所述汽车座椅导轨的固有频率值，f₁，f₂为基于所述有限元模型计算模态固有频率值。

3.如权利要求1所述的汽车座椅导轨接触部位刚度和阻尼优化方法，其特征在于，运用如下目标函数进行所述弹簧阻尼单元的阻尼优化：

$\mathrm{OBJ}=\sqrt{{(\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{y_i}{{\mathrm{\η}}_i}\right)}^2}{n}-1)}^2}$

其中：y_i为有限元计算响应曲线上各对应点的纵坐标，η_i为试验输出曲线各点对应纵坐标，n为每条曲线上所取点的个数。