第二學(xué)期機(jī)械優(yōu)化

1、課程（類）試卷2 0 1 4 /2 0 1 5 學(xué)年第 一 學(xué)期課程名稱：最優(yōu)化方法課程代碼：22000124：學(xué)號：147611491學(xué)院：機(jī)械汽車座椅椅背優(yōu)化設(shè)計摘要：本文以板管結(jié)構(gòu)汽車座椅椅背骨架為研究對象，建立簡化結(jié)構(gòu)三維模型；利用有限元分析HyperWorks，以應(yīng)變能最小為目標(biāo)，以體積分?jǐn)?shù)為約束條件，運用 OptiStruct 求解器對設(shè)計模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化；對拓?fù)湫螒B(tài)進(jìn)行分析，提出不同的設(shè)計方案，建立對應(yīng)的三維模型；利用OptiStruct 求解器對各方案模型以及原模型進(jìn)行處理和靜力分析，得到應(yīng)力、位移云圖以及質(zhì)量與應(yīng)變能的力學(xué)性能數(shù)值；將各個參數(shù)與原模型分析結(jié)果進(jìn)行對比，得到最優(yōu)

2、設(shè)計方案。優(yōu)化結(jié)果表明，在剛度指標(biāo)滿足設(shè)計要求的條件下，優(yōu)化后的座椅椅背質(zhì)量比原方案降低了 12.4%，結(jié)構(gòu)的位移比原方案下降 29.5%，應(yīng)變能比原方案下降 17.4%，應(yīng)力也有所改善，取得了較好的輕量化效果。研究表明，采用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)到符合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的輕量化結(jié)構(gòu)，是提高汽車結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)行和安全性的有效設(shè)計。：汽車座椅 板管結(jié)構(gòu) 拓?fù)鋬?yōu)化 靜力分析Mechanicsysis and Optimization design f Plate tubestructure for Car SeatAbstract:This text based on the Plate-tube structu

3、re of automobile seat back frame as the research object,building a simplified structure 3D m. Using finite elementysis software HyperWorks, and takingthe minimum mass as the goal, and the volume fraction of the strain energy and the stress and the massfraction of variables as constras as constracond

4、itions, using the OptiStruct solver to do topologyoptimization of the simplified m. Comparing the various parameters betn new plans and theoriginal m, obtained the best design. The results showt, on the condition of design requirementabout the rigidity standard, the quality of the optimized seat bac

5、k reduce by 10%, and at the same time, thedisplacement and strain energy decreased by 29.5% and 17.4% respectively, and the stresse better aswell. Research showst structure topology optimization techniques can get lightweight constructionagreement with the structural mechanical performance, is effec

6、tive design means to improve economy andsafety of the vehicle structureKeywords： Car Seat, Plate-tube structure, Topological Optimization, Sicysis引言現(xiàn)代科技使誕生百年的汽車座椅發(fā)生了根本性的變化，隨著汽車的發(fā)展和人們要求的不斷提高，汽車座椅已不是單純滿足乘坐和美觀需要的車身，而是關(guān)系到汽車的乘坐舒適性和安全性，集人機(jī)工程學(xué)、舒適性、安全性為一體的系統(tǒng)工程產(chǎn)品。應(yīng)當(dāng)看到，在經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程加快、汽車制造市場競爭激烈的今天，座椅制造技術(shù)愈來愈先進(jìn)，我國的

7、座椅制造業(yè)在迎接發(fā)展機(jī)遇的同時，也著巨大的。一方面，市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使供求關(guān)系發(fā)生了變化，已經(jīng)由賣方市場逐漸向買方市場轉(zhuǎn)變，這就要求企業(yè)不斷開發(fā)新產(chǎn)品，滿足客戶的不同需要；另一方面，國際、國內(nèi)市場的接軌，也向座椅生產(chǎn)企業(yè)提出了許多新的課題。研制和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)越、質(zhì)量可靠、安全舒適的座椅，成為各汽車座椅生產(chǎn)企業(yè)在市場競爭中取勝的關(guān)鍵。因此在設(shè)計中開展座椅結(jié)構(gòu)的計算工作，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的前提下，合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，以達(dá)到輕量化的目的，對座椅優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。此外，為了保持產(chǎn)品創(chuàng)新，加速企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的性能和科技含量，可以利用 CAE對現(xiàn)有的座椅進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度分

8、析計算和相應(yīng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)的分析研究工作，為新型座椅的研制開發(fā)提供借鑒和校核方法1。本課題就是在上述背景下，目的在于重新設(shè)計座椅椅背板管結(jié)構(gòu)布局使之受力合理。在確保座椅強(qiáng)度、剛度的前提下，減輕座椅骨架的質(zhì)量，進(jìn)而減少鋼材和燃油的消耗，使之發(fā)揮良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。1 汽車座椅椅背模型的建立汽車座椅系統(tǒng)是汽車內(nèi)飾中重要之一，主要由頭枕、靠背、發(fā)泡層、坐盆和座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成，如圖 1 示。金屬骨架為整個座椅系統(tǒng)提供支撐作用，其質(zhì)量占到座椅總成質(zhì)量的 70%以上。它分為靠背骨架、坐盆骨架兩部分，主要由鈑金件沖壓、焊接而成，然后通過螺栓直接固定或座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定在車身上。汽車在發(fā)生碰撞事故中，金屬骨架可以

9、有效吸收沖擊能量與載荷，起到關(guān)鍵的保護(hù)乘員的關(guān)鍵作用，因此，金屬骨架的強(qiáng)度特性是座椅設(shè)計過程中最為2。本文研究的是板管結(jié)構(gòu)汽車座椅椅背，如圖 2 所示，有限元模型如圖 3 所示。該結(jié)構(gòu)椅背主要由管材與鈑金焊接而成，椅背與坐墊骨架通過鉸鏈連接，安全帶通過卡扣與椅背板管焊接在一起。鈑金和管材的材料一般選用 Q 235，受力較大的連接板應(yīng)選用強(qiáng)度更好的板材，如SAPH440等，并且應(yīng)設(shè)計加強(qiáng)筋以增加其強(qiáng)度34。2 車座椅骨架的靜力分析汽車座椅骨架的抗扭剛度和抗彎剛度是必須滿足的基本性能之一。如果剛度，在安全帶受力拉伸的過程中結(jié)構(gòu)變形過大，尤其是安全帶與座椅骨架的連接部位在突然剎車時乘客上模塊的慣性引

10、起的拉力，引起座椅上部的受力變形，對乘客造成。因此，在設(shè)計過程中必須考慮板管結(jié)構(gòu)汽車座椅的整體剛度和關(guān)鍵部位的變形量的控制。本文主要以板管結(jié)構(gòu)座椅骨架為研究對象，在安全帶靜態(tài)拉伸工況下對板管座椅結(jié)構(gòu)做靜力分析5。如圖 4 所示，某汽車座椅后排骨架在安全帶靜態(tài)拉伸工況下的有限元模型，板管座椅主要分為40%部分和 60%部分。40%部分結(jié)構(gòu)簡單；60%部分結(jié)構(gòu)由多個管件組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且在此工況下是座椅主要受力部分，故板管結(jié)構(gòu)骨架的概念設(shè)計將 60%部分提出單獨進(jìn)行靜力分析，如圖 5。本文中椅背骨架的鋼板和全部選用材料為鋼Q235，材料參數(shù)見表 1。表 1 材料屬性表模擬原模型 60%部分安全帶靜

11、態(tài)拉伸工況，板下方左右兩端與車身連接鉸鏈處約束 X、Y、Z 方向移動度及 Y、Z 方向轉(zhuǎn)動度，右端上方卡扣與車身連接鉸鏈處約束 Y、Z 方向移動度及 X、Y、Z 方向轉(zhuǎn)動度，并在安全帶加載位置施加大小 1350N 方向 43的靜載荷。創(chuàng)建載荷集安全帶拉力和支座鉸鏈約束，分別命名為 force 和 spc。靜載荷和約束位如圖 6。對應(yīng)的賦予其將邊界條件 spc 和靜載荷 force，并進(jìn)行計算67。進(jìn)行靜力分析后得到的最大應(yīng)力、位移、質(zhì)量和應(yīng)變能如表 2 所示，應(yīng)力位移云圖如圖 7所示。表 2 原方案性能參數(shù)項目應(yīng)變能（J）質(zhì)量（kg）最大位移（mm）最大單元應(yīng)力（MPa）原方案4.360054

12、9.6674214.19777.8名稱材料彈性模量（E/GPa）泊松比(NU)密度(g/cm3)鋼板Q2352100.37.8Q2352100.37.8依據(jù)應(yīng)力云圖顯示，原方案安全帶受力后變形最大的區(qū)域集中在骨架的左上角，最大位移為1.419mm，從大到小呈扇形發(fā)散。分析其原因主要為骨架受力位置在上部偏左，而固定約束位置在左下、右下和右上三個位置，左上沒有約束，導(dǎo)致該處受力后的位移最大。依據(jù)應(yīng)力云圖顯示，原方案安全帶受力后單元應(yīng)力明顯的區(qū)域主要分布在右上方卡扣孔、長管右上部和左管下部，最大單元應(yīng)力分布在卡扣孔左側(cè)。針對右上方卡扣處最大單元應(yīng)力集中，通過分析可以發(fā)現(xiàn)這里的最大單元應(yīng)力顯示的單元并

13、不是實際存在的，在原結(jié)構(gòu)當(dāng)中該處存在卡扣與連接在一起，力通過管和卡扣分散后傳遞到座椅骨架上，但是在該有限元模型當(dāng)中管與板直接通過剛性連接，導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力集中的假象，如圖 8、圖 9 所示。3.座椅骨架的拓?fù)鋬?yōu)化在本文中，概念設(shè)計根據(jù)原模型的幾何尺寸進(jìn)行模型的簡化，通過對簡化模型在給定的設(shè)計空間找到最優(yōu)材料分布的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計得到一個性能高于原模型的新模型89。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是在給定的設(shè)計空間內(nèi)尋求最佳的材料分布，在第二章已經(jīng)確定了設(shè)計區(qū)域為骨架 60%的板，尺寸依據(jù)原模型將原模型 60%部分提出建立靜力分析模型等效安全帶靜態(tài)拉伸工況，板下方左右兩端與車身連接處約束 X、Y、Z 方向移動度及 Y、Z

14、方向轉(zhuǎn)動度，右端上方與車身連接處約束 Y、Z 方向移動度及 X、Y、Z 方向轉(zhuǎn)動度，并在安全帶加載位置施加大小1350N 方向 43的靜載荷。約束位置及度、加載點位置及大小均與原模型中等效。板管結(jié)構(gòu)骨架主要是有板、壓延筋及管組成，考慮到概念設(shè)計的理念，將板管結(jié)構(gòu)簡化成一塊平板進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)原模型工況建立簡化模型有限元模型，如圖 10 所示，幾何尺寸與原模型 60%板幾何尺寸相同，約束位置及度、加載點位置及大小均與原模型中一致。原結(jié)構(gòu)的簡化有限元模型主要包括四個零件，分別為簡化后的平面鋼板、卡扣和左右支座，其中卡扣和左右支座從原有座椅模型中直接提取后導(dǎo)入，無需抽中面和網(wǎng)格劃分操作。模擬原模型 6

15、0%部分安全帶靜態(tài)拉伸工況，板下方左右兩端與車身連接鉸鏈處約束 X、Y、Z 方向移動度及 Y、Z 方向轉(zhuǎn)動度，右端上方與車身連接鉸鏈處約束 Y、Z 方向移動度及 X、Y、Z 方向轉(zhuǎn)動度，并在安全帶加載位置施加大小 1350N 方向 43的靜載荷。創(chuàng)建兩個載荷集安全帶拉力和支座鉸鏈約束，分別命名為 force 和 spc。靜載荷和約束位如圖 11。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的意義是在滿足材料減少量的同時，得到最大的結(jié)構(gòu)剛度，其中以體積分?jǐn)?shù)為約束條件，控制優(yōu)化后的剩余體積；以應(yīng)變能為目標(biāo)函數(shù)，在剩余體積一定的情況下使應(yīng)變能最小10。優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下：Min：US.T.：V/V00.5式中：U 為應(yīng)變能；V 為構(gòu)

16、件優(yōu)化后的體積；V0 為構(gòu)件優(yōu)化前的體積。（3-1）拓?fù)鋬?yōu)化是一個迭代的過程，從預(yù)先定義的材料分布開始，在多次迭代后，當(dāng)材料趨于穩(wěn)定后體積達(dá)到原設(shè)計空間體積的 50%時優(yōu)化即結(jié)束。在中對設(shè)計空間進(jìn)行分析，分析中體積共迭代 12 次，穩(wěn)定后體積達(dá)到原設(shè)計空間體積的50%，得出椅背骨架 50%鋼板的拓?fù)湫螒B(tài)，如圖 12 所示，根據(jù)拓?fù)湫螒B(tài)的材料分布可知實體為近似R 形分布，為新方案的設(shè)計提供了依據(jù)11。4. 座椅骨架的方案設(shè)計參考原模型由板和管組成板管結(jié)構(gòu)，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化云圖在簡化模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行新模型的建立，得到新方案，其中考慮與原模型部分參數(shù)一致性，各方案椅背鋼板與原模型保持一致，則根據(jù)長度、形

17、狀、直徑不同分不同的方案。在拓?fù)湫螒B(tài)當(dāng)中，紅色為材料最多的部分，藍(lán)色是沒有材料的部分，然后由紅至藍(lán)材料逐漸從最多變?yōu)闊o。新方案的設(shè)計主要依據(jù)是拓?fù)湫螒B(tài)的質(zhì)量分布，同時保證椅背鋼板的尺寸與簡化模型、原模型保持一致，的尺寸和位置保證與安全帶卡扣、座椅底部支座、座椅右上部支架能夠模擬原模型進(jìn)行裝配。依據(jù)拓?fù)湫螒B(tài)材料的R 形分布，對管的布局進(jìn)行設(shè)計1213。本文進(jìn)行了六種不同的方案設(shè)計，建立各個方案的模型并分別對其進(jìn)行處理和靜力分析，得到應(yīng)力、位移云圖以及質(zhì)量與應(yīng)變能的數(shù)，將各個方案性能數(shù)據(jù)與原模型分析結(jié)果進(jìn)行對比從而選擇最優(yōu)方案，表 3、表 4 所示。表 3 設(shè)計方案與原模型對比方案模型位移云圖應(yīng)力

18、云圖原模型方案一方案二方案三方案四方案五方案六表 4 各方案性能數(shù)據(jù)對比匯總表通過對比各方案性能數(shù)據(jù)，方案二骨架質(zhì)量減少量最大，方案一、六骨架剛度提高量最大，考慮本概念設(shè)計以改變骨架性能的同時輕量化為主，方案二質(zhì)量減少的最多，且骨架剛度提高、最大位移減少量提高及單元最大應(yīng)力也有所降低，另外，方案二零件少，便于加工和焊接，所以綜合來講方案三在六個方案中是最好的，即最優(yōu)方案為方案二。5 結(jié)論本文結(jié)合國內(nèi)某企業(yè)的轎車后排座椅的實際項目，通過利用三維建模SolidWorks、有限元HyperWorks 和 OptiStruct 求解器對板管結(jié)構(gòu)汽車座椅椅背骨架完成計算機(jī)輔助設(shè)計。本文完成的主要工作內(nèi)容

19、及相應(yīng)結(jié)論如下：(1) 通過查閱相關(guān)國內(nèi)外文獻(xiàn)，敘述了座椅骨架的結(jié)構(gòu)與分類，介紹了有限元法理論、有限元HyperWorks 和 OptiStruct 求解器，詳細(xì)介紹了板管結(jié)構(gòu)座椅椅背有限元模型的建立過程，分析轎車的后排座椅結(jié)構(gòu)特點，在網(wǎng)格剖分和單元類型選擇、材料特性和物理屬性的定義、連接關(guān)系的模擬和簡化、邊界條件的確定和載荷的施加等方面介紹了有限元模型的建立過程，利用OptiStruct 求解器對椅背骨架簡化模型進(jìn)行了靜態(tài)分析，得到了原方案板管結(jié)構(gòu)椅背骨架的應(yīng)力、位移云圖和質(zhì)量、應(yīng)變能的數(shù)據(jù)，確定原方案有輕量化設(shè)計空間。項目應(yīng)變能（J）/變化率質(zhì)量（KG）/變化率最大位移（mm）/變化率最大

20、單元應(yīng)力（MPa）/變化率原方案4.3600549.6674214.19777.8方案一3.351102/23.1%8.80444/8.9%9.600/32.4%1137/46.2%方案二3.660924/16.0%8.47483/12.3%10.023/29.4%1058/36%方案三3.388572/22.3%8.76518/9.3%9.561/53.8%1187/52.6%方案四3.698513/15.2%8.74642/9.5%10.006/29.5%1296/66.7%方案五3.371202/22.7%8.75433/9.4%8.988/36.7%946.2/21.7%方案六3.35

21、1702/23.1%8.80553/8.9%8.923/37.1%1227/57.8%(2) 利用 HyperWorks建立板管結(jié)構(gòu)汽車座椅椅背的有限元模型，根據(jù)概念設(shè)計的理論方法，模擬安全帶拉伸工況，利用變密度法的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法對座椅骨架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得到骨架的拓?fù)湫螒B(tài)。根據(jù)拓?fù)湫螒B(tài)的材料分布，設(shè)計出了六種板管排布方案。(3) 對六種新方案板管結(jié)構(gòu)建立有限元模型，利用 OptiStruct 求解器對新方案椅背骨架有限元模型進(jìn)行了靜態(tài)分析，對結(jié)果進(jìn)行分析對比，選出最佳方案為方案二，該方案中板管結(jié)構(gòu)座椅骨架質(zhì)量降低了 12.4%，其他性能也有所提高，達(dá)到了輕量化設(shè)計的目標(biāo)。參考文獻(xiàn)1月，.我國大中型客車行業(yè)現(xiàn)狀J. 客車技術(shù)， 2000，6（4）：1.5.2.基于有限元法的汽車座椅靜強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)