汽车座椅结构的轻量化设计

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1、学兔兔www.xuetutu.com第1期(总第164期)机械工程与自动化No．12011年2月MECHANICALENGINEERING&AUT0MAT10NFeb．文章编号：1672—6413(2011)01—0072—03汽车座椅结构的轻量化设计卢建志，杨世文(中北大学机电．32程学院，山西太原030051)摘要：针对当前许多拓扑优化结构中存在的制造工艺问题，提出了一种考虑挤压工艺约束和应力约束的拓扑优化模型。采用该方法对座椅骨架进行轻量化设计，并对新设计的座椅骨架进行校核。分析结果表明：新的座椅结构在满足各项性能和挤压工艺约束的同时达到了明显的轻量化效果，证

2、明了该拓扑优化方法的可行性。关键词：汽车座椅；轻量化；拓扑优化中图分类号：U463．836文献标识码：A0引言布形式。以结构的柔顺度作为目标函数，其数学模型“轻量化”是当前汽车工业中的一个主题，越来越如下：多的目光转向对车身内饰件的轻量化设计上。现阶段设计变量：J0一(，』D，，⋯，)。我国的汽车座椅与国外先进生产厂家的相比，价格高、目标函数(。性能不稳定。分析其原因，主要是在设计计算时无法较精确地考虑部件的静力学和动力学特性，片面地提≤e高安全系数，从而造成了材料浪费和成本的上升口]。自KU=F1988年Bendsoe和Kikuchi_2。提出基于均匀化约束条件：

3、0≤≤≤Pm．≤1(Homogenization)方法的结构拓扑优化设计基本理论0de<1以来，结构拓扑设计得到了深入和广泛的研究，已成一1，2，3，⋯，为国际工程结构与产品创新设计领域的热点。美国的其中：P⋯、p⋯分别为单元设计变量P的上、下限；Altair工程软件有限公司的OptiStruct软件在拓扑优C(J0)为结构的柔度；U为位移矩阵；K为刚度矩阵；F化中充分考虑了零件的可加工性，把制造加工过程中为载荷矩阵；V(i0)为设计变量状态下的结构有效体需要考虑到的因素融合到优化问题的定义中，同时提积；V。为设计变量取1时的结构有效体积；e为材料用供了成员尺寸控制

4、、脱模、挤压、对称等制造工艺约量比，也称为体积分数。束功能，使优化的结果便于制造]。M．Zhou和1．2考虑制造工艺约束的刚度拓扑优化模型Y．K．Shyy[5针对拓扑优化结果中存在的棋盘格现象，本文的设计对象是座椅骨架，采用挤压成型工艺采用成员尺寸控制方法，简化了优化后的结构，解决制造。结合当前比较成熟的变密度拓扑优化(SIMP)模了棋盘现象。本文提出了考虑制造约束的拓扑优化设型，建立以结构的体积分数最小为目标函数、以材料计方法，并对靠背骨架进行了拓扑优化设计，得到了的密度为设计变量、以挤压方向约束和应力约束为约座椅骨架优化结构。1拓扑优化数学模型束条件的变密度拓扑

5、优化模型。该模型能够使结构在1．1刚度拓扑优化数学模型限制的应力和挤压路径的范围内重新分布材料，从而基于密度法的刚度拓扑优化方法是将每个单元的达到轻量化效果。具体的数学模型如下：材料密度直接作为设计变量，使之在O～1之间连续设计变量：l0一(，p，10”，)。变化，找出具有最大刚度(最小柔顺性)的结构材料分目标函数：fmi(10)一V(』D)。收稿日期：2010—05—17；修回日期：2010—09—2O作者简介：卢建志(1986一)，男，福建莆田人，在凑硕士研究生。学兔兔www.xuetutu.com2011年第1期卢建志，等：汽丰座椅结构的轻量化设计·73·fO

6、≤Pi≤≤『，≤l压约束方向如图3所示，骨架有限元分析得到的结果l≤⋯见表2。约束条件：J0一一+一+：==⋯一jD根据有限元的静力分析结果以及座椅的允许位移量小于10mm的要求，靠背和坐垫的刚度和强度存在}一1，2，3，⋯，l：：：1，⋯，较大裕度，需要对其进行结构优化。其中：为全局应力约束；O'max为优化区域的许用应力，即材料的屈服极限；为挤压约束的个数。2汽车座椅骨架轻量化设计2．1制定座椅结构优化流程汽车座椅结构的轻量化设计就是采用优化设计的方法，在保证骨架结构性能要求和可制造性的前提下，提高材料的利用率，减少冗余的材料，从而达到骨架结构轻量化的目的。为了

7、提高座椅的设计效率，制定了相关的设计流程，见图1。骨架的材料参数见表1。图2座椅骨架的CATIA实体模型靠背骨架挤压方向图3座椅骨架挤压约束方向表2座椅骨架有限元分析结果位置最大位移(mm)最大应力(MPa)质量()靠背4．Z932．5l坐垫5．411o1．782．3座椅拓扑优化设计采用Optistruct软件对结构进行拓扑优化，靠背图1座椅骨架结构优化流程骨架经过17次迭代后收敛，坐垫骨架经过43次迭代表l骨架材料性能参数后收敛，得到的优化结果如图4所示。根据密度云图密度弹性模量拉伸强度泊松比断裂延伸率kg／mGPaMPa％结果对骨架的CAD模型进行改进设计，