汽車座椅骨架構(gòu)件布局設(shè)計方法

1、第卷第期年月ChineseJournalofEngineeringDesign工程設(shè)計學(xué)報VolNoDOI：jissnX汽車座椅骨架構(gòu)件布局設(shè)計方法張 坤，丁曉紅，倪維宇，王海華（上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海；上海延鋒江森座椅有限公司性能實驗中心，上海）摘 要：傳統(tǒng)的汽車座椅骨架構(gòu)件布局依靠經(jīng)驗設(shè)計，不僅設(shè)計效率低，而且得不到性價比最優(yōu)的結(jié)構(gòu)以某轎車后排座椅板管結(jié)構(gòu)骨架為研究對象，基于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計技術(shù)，提出了座椅骨架構(gòu)件布局設(shè)計方法首先，根據(jù)骨架外觀形狀及尺寸要求，確定設(shè)計區(qū)域，并根據(jù)實際的安全帶加載工況，建立設(shè)計模型；然后，以結(jié)構(gòu)靜剛度最大為優(yōu)化目標(biāo)，采用變密度法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

2、，并根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，提出種不同的布局方案；最后，根據(jù)有限元分析結(jié)果確定最終的設(shè)計方案，并對優(yōu)化設(shè)計結(jié)果進(jìn)行行李箱后撞的安全性分析研究結(jié)果表明，在骨架質(zhì)量下降.的情況下，整體靜態(tài)剛度提高.，并滿足動態(tài)碰撞的安全性要求采用所提出的設(shè)計方法，可以得到最優(yōu)座椅骨架構(gòu)件布局結(jié)構(gòu)關(guān)鍵詞：汽車座椅；構(gòu)件布局；拓?fù)鋬?yōu)化；變密度法中圖分類號：TH 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：X（）ThecomponentlayoutdesignmethodforautomotiveseatskeletonZHANGKun，DINGXiaohong，NIWeiyu，WANGHaihua（CollegeofMechanicalEn

3、gineering，UniversityofShanghaiforScienceandTechnology，Shanghai，China；PerformanceLaboratory，ShanghaiYanfengJonsonControlsSeatingCo，Ltd，Shanghai，China）Abstract：Thetraditionallayoutofautomotiveseatskeletoncomponentsmainlyreliesonthedesignersexperience，whichleadstolowdesignefficiencyandnonoptimalstructu

4、reThispaperstudiedthelayoutdesignmethodofautomotiveseatskeletoncomponentsfortherearseatofacarwiththeplatetubestructurebasedonstructuraltopologyoptimizationdesigntechnologyFirstly，accordingtotheshapeandsizerequirementsonskeletonappearance，thedesigndomainwasdeterminedandthedesignmodelwasconstructedund

5、erthebeltloadingstateSecondly，thestructuraltopologyoptimizationdesignwascarriedoutonthebasisofthealterabledensitymethod，inwhichthemaximumstaticstiffnesswassettobethedesignobjectiveAccordingtotheresultoftopologyoptimization，twodifferentschemeswereputforwardFinally，theoptimaldesignschemewasdeterminedb

6、ycomparingtheFEAresults，andthecollisionsafetyanalysiswascarriedoutTheresultsshowedthesuggesteddesignmethodwaseffective，theskeletonweightwasdeclinedby，whiletheoverallstaticstiffnessincreasedby，andthesafetyrequirementofdynamiccollisionwassatisfiedTheoptimalcomponentslayoutofseatskeletonisobtainedbyusi

7、ngthedesignmethodKeywords：automotiveseat；componentlayout；topologicaloptimization；variabledensitymethod收稿日期：本刊網(wǎng)址在線期刊：http：wwwzjueducngcsjxbjournals基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（，）；上海市教委科研創(chuàng)新重點項目（ZZ）作者簡介：張坤（），男，甘肅金昌人，碩士生，從事結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化研究，Email：zhangkkcncom通信聯(lián)系人：丁曉紅（），女，教授，從事結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究，Email：dingxhussteducn第期 張 坤，等：汽車座椅骨架

8、構(gòu)件布局設(shè)計方法隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，在產(chǎn)品初期設(shè)計階段應(yīng)用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計技術(shù)進(jìn)行構(gòu)件布局或材料分布設(shè)計，得到初始的最優(yōu)設(shè)計方案，并以此為設(shè)計模型，進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)形貌、形狀和尺寸優(yōu)化的設(shè)計，可得到真正最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，而且可提高設(shè)計效率，從而很大程度上縮短產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)周期，減少了很多不必要的修改過程，降低開發(fā)成本，并提高產(chǎn)品的技術(shù)含量和市場競爭力汽車行業(yè)作為我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一，幾乎涵蓋了整個工業(yè)領(lǐng)域的相關(guān)內(nèi)容作為一種耐用消費產(chǎn)品，從研1 設(shè)計方法11 座椅骨架結(jié)構(gòu)汽車座椅骨架結(jié)構(gòu)主要有板管結(jié)構(gòu)、純板結(jié)構(gòu)和管鋼絲結(jié)構(gòu)三種，如圖所示發(fā)、生產(chǎn)、銷售到維護(hù)，汽車行業(yè)已經(jīng)形成了完整的

9、體系其中研發(fā)過程是決定產(chǎn)品預(yù)期性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，各種汽車零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計在汽車產(chǎn)品研發(fā)中尤為重要拓?fù)鋬?yōu)化是優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域最富有生命力的研究方向拓?fù)鋬?yōu)化的基本思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布問題，常用的方法有均勻化法、變密度法、變厚度法和水平集方法等近年來，應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對汽車零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計已取得一定的進(jìn)展季學(xué)榮等為提高汽車罩板的機(jī)械性能，運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化的設(shè)計方法，對某汽車發(fā)動機(jī)罩板在輕量化設(shè)計的同時使結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能得到提高劉輝等對某車型變速器箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜、動態(tài)聯(lián)合拓?fù)鋬?yōu)化，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)減輕.，同時結(jié)構(gòu)的振動也有所減弱盧建志等提出了一種考慮擠壓工藝

10、約束和應(yīng)力約束的優(yōu)化模型，使得汽車座椅的骨架結(jié)構(gòu)較優(yōu)化前減重呂兆平等建立某汽車動力總成懸置系統(tǒng)的動力學(xué)模型，運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化方法，以結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能最小為目標(biāo)函數(shù)，約束材料體積，優(yōu)化后零件減重.汽車座椅系統(tǒng)是汽車內(nèi)飾中重要部件之一，起到保護(hù)乘員的關(guān)鍵作用，金屬骨架的剛度特性是汽車座椅設(shè)計過程中最為核心的問題傳統(tǒng)的汽車座椅骨架構(gòu)件布局主要根據(jù)經(jīng)驗來設(shè)計，難以得到性價比最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，本文基于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計技術(shù)，提出了座椅骨架構(gòu)件布局設(shè)計方法以某轎車的后排板管結(jié)構(gòu)座椅骨架為研究對象，首先根據(jù)實際的安全帶加載工況、骨架外觀形狀及尺寸要求，確定設(shè)計區(qū)域，建立設(shè)計模型；然后采用變密度法以結(jié)構(gòu)靜剛度最大為優(yōu)化目標(biāo)對

11、結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，并根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，提出種不同的布局方案；最后根據(jù)有限元分析結(jié)果確定最終的設(shè)計方案在座椅骨架滿足靜態(tài)工況的設(shè)計要求的前提下，對優(yōu)化設(shè)計結(jié)果進(jìn)行行李箱后撞的安全性分析，驗證是否滿足動態(tài)碰撞的安全性要求圖1 座椅骨架類型Fig Theseatskeletontype其中，板管結(jié)構(gòu)一般由鈑金件和管件焊接而成，純板結(jié)構(gòu)由鈑金件沖壓壓延筋組成，管鋼絲結(jié)構(gòu)由管件和鋼絲焊接而成轎車多采用板管結(jié)構(gòu)，其工藝較為簡單，通過管件在鈑金件上的布局提高座椅骨架的整體剛度12 構(gòu)件布局設(shè)計方法流程圖為構(gòu)件布局設(shè)計方法流程，主要分為優(yōu)化設(shè)計階段和新結(jié)構(gòu)設(shè)計階段首先通過分析整體結(jié)構(gòu)選定結(jié)構(gòu)的設(shè)計區(qū)域建立

12、設(shè)計模型，進(jìn)入優(yōu)化設(shè)計階段，根據(jù)設(shè)計模型運(yùn)用基于變密度法的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計技術(shù)，在合理的數(shù)學(xué)模型下，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，當(dāng)優(yōu)化結(jié)果收斂后輸出有效的優(yōu)化結(jié)果，反之檢查設(shè)計模型和數(shù)學(xué)模型重新進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化；然后進(jìn)入新結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，按照實際工況建立新結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行性能分析；最后通過對比新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，檢查新結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計要求，若不滿足，分析問題原因重新進(jìn)行建模分析，反之構(gòu)件布局設(shè)計結(jié)束，得到較優(yōu)的新結(jié)構(gòu)變密度法基于各向同性材料，以每個單元的相對密度作為設(shè)計變量，人為假定單元的密度和材料物理屬性（如許用應(yīng)力、彈性模量）之間的某種對應(yīng)關(guān)系，以連續(xù)變量的密度函數(shù)形式顯式地表達(dá)這種

13、對應(yīng)關(guān)系，每個單元有唯一的設(shè)計變量該方法的程序?qū)崿F(xiàn)簡單，計算效率高設(shè)計中所用的密度是單元正則化以后的相對密度變密度法在工程研究中得工 程 設(shè) 計 學(xué) 報 第卷模量之間的對應(yīng)關(guān)系，得到光滑的材料插值模型懲罰因子p的取值大小可影響抑制中間密度單元的圖2 構(gòu)件分布設(shè)計方法流程Fig Flowchartofthecomponentslayoutdesignmethod到了廣泛的重視和研究，是目前算法上便于實施、應(yīng)用較多的一種材料插值方法sotropic變密度方法主要的插值模型有RAMmicrostructuresSIMP（solidi引入懲罰因子ties）兩種模型P（rationalapproxima

14、tionwithofpenalizationmaterialproper）和，SIM在材料的彈性模量和單元相對密度P模型和RAMP模型主要通過之間建立一種顯式的非線性對應(yīng)關(guān)系它的作用是當(dāng)設(shè)計變量的值為（，）時，對中間密度值進(jìn)行懲罰，使中間密度值逐漸向，兩端聚集，這樣可以使連續(xù)變量的拓?fù)鋬?yōu)化模型能很好地逼近原來，離散變量的優(yōu)化模型此時，中間密度單元對應(yīng)很小的彈性模量，對結(jié)構(gòu)剛度矩陣的影響將變得很小，可忽略不計下式進(jìn)行SIMP：密度剛度插值模型對中間密度的懲罰由EixipE，式中：Ei表示第i單元的彈性模量，E表示單元充滿材料時的彈性模量，p表示懲罰因子通過上式以連續(xù)變量的密度函數(shù)表達(dá)單元相對密度

15、與材料彈性效果由下式進(jìn)行RAMP密度剛度插值模型對中間密度的懲罰：Eip（xi）E，式中：Ei表示第i單元的彈性模量，E表示單元充滿材料時的彈性模量，p為懲罰因子同條件下SIMP，兩者優(yōu)化結(jié)果也是十分相似的法和RAMP法具有很大的相似性本文在設(shè)，在相計優(yōu)化階段選用SIMP法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計13 優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型的建立汽車座椅骨架的剛度特性是汽車座椅設(shè)計過程中最為核心的問題，故座椅骨架構(gòu)件分布設(shè)計目的是提高骨架剛度的同時降低質(zhì)量，得到輕質(zhì)高剛的座椅骨架結(jié)構(gòu)基于變密度法的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計理論，在優(yōu)化設(shè)計階段應(yīng)用如下數(shù)學(xué)模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計：minC，式中：C為結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能stVV，V為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的體積

16、V*，V為結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的體積，V*為體積分?jǐn)?shù)2 座椅骨架管件布局設(shè)計21 骨架結(jié)構(gòu)及原結(jié)構(gòu)靜態(tài)性能本文所研究的某轎車后排座椅骨架為板管結(jié)構(gòu)，圖為后排座椅骨架在安全帶拉伸工況下的有限元模型圖3 后排座椅骨架在安全帶拉伸工況下的有限元模型Fig Theditionfiniteelementmodelofseatbeltintensilecon圖中座椅骨架主要由部分和部分構(gòu)成：部分結(jié)構(gòu)較簡單，主要由根環(huán)形管和背板構(gòu)成；部分由多根不同形狀的管與背板構(gòu)成第期 張 坤，等：汽車座椅骨架構(gòu)件布局設(shè)計方法并且在安全帶拉伸工況下，座椅骨架主要受力部分是部分，故將構(gòu)件布局設(shè)計區(qū)域定為座椅骨架部分首先將座椅骨架部分單

17、獨建立有限元模型，在安全帶靜態(tài)拉伸工況進(jìn)行力學(xué)性能分析，如圖所示板下方左、右兩端與車身連接處約束X，Y，Z方向移動自由度及Y，Z方向轉(zhuǎn)動自由度，右端上方與車身連接處約束Y，Z方向移動自由度及X，Y，Z方向轉(zhuǎn)動自由度在安全帶加載位置施加一定大小、方向為°的靜載荷約束的位置和自由度、加Fig Thedesignmodel圖6 設(shè)計模型載點的位置和大小均與原結(jié)構(gòu)等效圖4 座椅骨架60部分力學(xué)性能分析模型Fig Thepartmechanicaloftheseatskeletonpropertyanalysismodelof通過對座椅骨架部分的靜力分析，得到座椅骨架部分的力學(xué)性能：應(yīng)變能為.

18、J；質(zhì)量為.kg；最大位移為.mm，位置在背板左上方，如圖所示圖5 座椅骨架60部分位移云圖Fig Thedisplacementofpartoftheseatskeleton22 設(shè)計模型和拓?fù)鋬?yōu)化圖為管件布局的設(shè)計模型，幾何尺寸與原結(jié)構(gòu)板幾何尺寸相同，約束的位置和自由度、加載點的位置和大小均與原結(jié)構(gòu)中一致將整個背板作為設(shè)計空間，以在滿足輕量化的同時得到最大的結(jié)構(gòu)剛度為目的，取體積分?jǐn)?shù)V*.如圖（a）所示，拓?fù)鋬?yōu)化通過迭代，體積逐漸趨于穩(wěn)定，得到最佳傳力路徑圖（b）所示為拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，密度為的單元，代表設(shè)計空間內(nèi)組成傳力路徑的材料，已經(jīng)被保留了下來，其他力不經(jīng)過的材料區(qū)域被自動去除，即為密度

19、為的單元圖7 拓?fù)鋬?yōu)化迭代曲線和結(jié)果Fig Thezationiterativecurveandresultoftopologicaloptimi23 新模型的建立通過分析，原結(jié)構(gòu)座椅背板的剛度主要取決于管件的分布狀況，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化所得到的結(jié)果，在原結(jié)構(gòu)背板的基礎(chǔ)上進(jìn)行新模型的建立如圖所示，以拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果中材料分布情況，參考原結(jié)構(gòu)確定相關(guān)尺寸，按照原結(jié)構(gòu)部分靜力分析約束及加載方案建立個方案的有限元模型圖8 新方案有限元模型Fig Thenewfiniteelementmodel工 程 設(shè) 計 學(xué) 報 第卷通過對方案和方案座椅骨架靜力分析得：方案應(yīng)變能為.J、質(zhì)量為.kg、最大位移為.mm；方案

20、應(yīng)變能為.J、質(zhì)量為.kg、最大位移為.mm方案和方案最大位移的位置都在背板左上方，如圖所示，通過對比，最大位移發(fā)生處與原結(jié)構(gòu)一致兩正方體關(guān)于車體中心面對稱的位置，且兩行李箱間距為mm；以座椅設(shè)計基準(zhǔn)點R點建立R點參考面，經(jīng)過座椅R點前方mm和mm處的點建立參考面A面和B面法規(guī)規(guī)定，在行李箱沖擊的過程中座椅骨架的靠背和頭枕前輪廓分別不能超出A面和B面圖9 方案1和方案2座椅骨架位移云圖Fig Thedisplacementofschemeandscheme表為原結(jié)構(gòu)和個優(yōu)化方案的力學(xué)性能對比方案座椅骨架相對原結(jié)構(gòu)：剛度提高.；質(zhì)量降低.；最大位移發(fā)生位置一致，且大小降低.方案座椅骨架相對原結(jié)構(gòu)

21、：剛度提高.；質(zhì)量降低.；最大位移發(fā)生位置一致，且大小降低.對比發(fā)現(xiàn)，雖然方案座椅骨架的剛度提高較多，但是質(zhì)量幾乎沒有降低，相比方案，不僅剛度得到大幅提高，而且整體質(zhì)量也有減輕，故種方案中方案為較優(yōu)的設(shè)計方案表1 原結(jié)構(gòu)與2種方案力學(xué)性能對比Table Themechanicalpropertiescomparisonoforiginal原結(jié)構(gòu)應(yīng)變能J最大位移mm質(zhì)量kg及方案（變化率）（變化率）（變化率）原結(jié)構(gòu).方案.（.）（.）（.）方案.（.）（.）（.）24 動態(tài)碰撞工況下的性能驗證座椅骨架設(shè)計不僅需要考慮其靜態(tài)剛度，還需要考慮在動態(tài)碰撞工況下的性能GB法規(guī)是一種動態(tài)碰撞試驗規(guī)則，圖為

22、根據(jù)座椅行李箱動態(tài)沖擊試驗相關(guān)要求建立的座椅骨架有限元模型其中：用大小為mm×mm×mm，重kg的個正方體模擬行李箱，放置于在X方向上正方體質(zhì)心距行李艙邊界為mm、Y方向上圖10 座椅行李箱動態(tài)沖擊試驗有限元模型Fig Thesionfinitetestelementmodelofautomotiveseatcolli圖為方案座椅骨架結(jié)構(gòu)在行李箱動態(tài)沖擊過程中座椅最大變形時刻，頭枕輪廓和骨架靠背均沒有超出參考面A面和B面，故該方案已滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求圖11 方案2座椅骨架沖擊過程最大變形Fig Seatprocessskeletonofthemaximumschemedefo

23、rmationofcollision3 結(jié) 論本文基于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計技術(shù)，探索了一種適用于座椅骨架設(shè)計初期的構(gòu)件布局設(shè)計方法通過采用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計技術(shù)，不僅為構(gòu)件分布提供了合理的理論基礎(chǔ)，而且可以更快速地尋找出構(gòu)件布局的大致位置，避免了傳統(tǒng)方法中根據(jù)經(jīng)驗不斷嘗試并驗證構(gòu)件布局設(shè)計是否合理的重復(fù)工作，提高設(shè)計效率，節(jié)約了設(shè)計成本應(yīng)用本文提出的設(shè)第期 張 坤，等：汽車座椅骨架構(gòu)件布局設(shè)計方法計方法，可得到座椅骨架構(gòu)件布局的最優(yōu)設(shè)計方案，該方案可作為后續(xù)形貌、形狀和尺寸優(yōu)化設(shè)計的初始設(shè)計模型因此采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，可望得到真正最優(yōu)座椅骨架結(jié)構(gòu)參考文獻(xiàn)：趙金磊汽車離合器主要零部件分析與拓?fù)鋬?yōu)化D

24、南京：南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，：ZHAOJinleiTheanalysisandtopologyoptimizationof拓?fù)鋬?yōu)化J汽車工程，（）：LIUHui，XIANGChangle，ZHANGXiqingStaticdynamiccombinedtopologyoptimizationofgearboxtiveEngineering，（）：housingundermultipleloadingconditionsJAutomo盧建志，楊世文汽車座椅結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計J機(jī)械工程與自動化，（）：LUJianzhi，YANGShiwenLightweightdesignofcartion，（

25、）：seatstructureJMechanicalEngineering&Automa呂兆平，閆劍滔，李宏庚，等基于有限元技術(shù)的動力automobileclutchmaincomponentsDNanjing：NanMjingHASSANIechanicalUniversityBEngineeringofScience，HINTON，andEHomogenization：Technology，SchoolofandstructuralMtopologyLondonoptimization：Springer，theory：，practiceandsoftwareBENDSOEMP，SI

26、GMUNDOTopologyoptimization：Springertheory，methods，：，andapplicationsMNewYork：BENDSOEMP，KIKUCHINGeneratingoptimaltomethodpologyinJstructuralComnuterdesignMethodsusinginAppliedahomogenizationandEngineering，（）：MechanicsBENDSOEMP，SIGMUNDOMaterialinterpolationschemespliedMechanicsintopology，optimization，（）：JArchiveofApMICHAELYW，WANGXiaomin