客車座椅輕量化的CAE優化分析

錢志剛

摘 要：隨著汽車行業以輕量化的方向進行發展，座椅在新開發與VAVE過程中，需按GB 13057—2003《客車座椅及其車輛固定件的強度》與GB 14167—2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX 固定點及上固定點系統》及GB11550—2009《汽車座椅頭枕性能要求和試驗方法》的法規進行座椅動態測試，介于動態檢測驗證費用，且存在較多的不確定性，就必須在開發過程中對座椅進行CAE安全帶固定點強度與靜態分析，對照在廠內實驗室的電腦伺服控制頭枕沖擊試驗機與電腦伺服六軸座椅強度試驗機對汽車座椅安全帶固定點強度、座椅總成強度以及座椅靠背后部吸能試驗，對應座椅的相應部分的剛度與柔度，以達到汽車座椅強度與吸能性要求，通過靜態物性實驗與CAE對照進行映證，再通過第3方動態實驗的對參數與靜態實驗形成透視表，對CAE進行佐證，以確保動態測試的一次性通過率，提升開發與VAVE的周期并降低成本。

關鍵詞：汽車座椅；CAE；拓撲優化；材料輕量化

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A

1 客車座椅輕量化CAE理念

CAE（Computer Alded Englneering）計算機輔助工程，分析運用有限單元法、彈性力學、材料力學、數值計算法運用計算進行模擬，分析類型有十大類：①線性靜態分析；②非線性分析；③動力學分析；④屈曲分析；⑤熱分析；⑥疲勞分析；⑦優化分析；⑧流體分析；⑨碰撞分析；⑩NVH分析。

標準的CAE有限元分析流程：首先運用Hypermesh建模進行前處理，導入CATIA數模；在樣品、樣車前模擬零部件甚至整椅性能和工作狀況避免傳統的（設計—試制—測試—改進設計—再試制）重復過程，減少時間上的浪費，縮短了開發周期，減少人力、物力各財力的消耗而降低開發成本，改變為（設想優化—設計—CAE虛擬試驗—建立—試驗—產生利潤）。

（1）基于靜力學理論和有限元理論，分析了3種常見工況下原汽車座椅的力學性能，并對汽車座椅的座骨架與靠背總成進行拓撲優化，根據優化結果重新設計內板與管結構以滿足分析工況的需求，但輕量化效果有限，僅降低重量3.6 %。

（2）為了滿足企業輕量化的設計目標，針對拓撲優化后的汽車座椅的座骨架與靠背總成，選擇了高強度鋼（座靠支架）、鋁合金（座與靠骨架、滑軌、腳踏）以及碳纖維復合材料作為輕量化材料，設定了3種不同方案對汽車座椅進行材料輕量化設計，通過CAE對比分析材料輕量化后汽車座椅的綜合力學性能，最終確定采用高強度鋼的汽車座椅適合公司需要，且其輕量化效果達到了11.6%；在汽車輕量化設計運用中，鎂鋁合金、塑料、高強鋼、碳纖維、復合材料等廣泛采用輕量化材料（見表1）。

2 汽車座椅CAE拓撲優化和分析流程

在汽車座椅APQP產品先期策劃過程中，設計人員對新開發的汽車座椅首先依據物性實驗要求進行CAE靜態分析與DV（設計）驗證，后續協同質量管理部對汽車座椅CC≻的特殊特性清單中關鍵與重要的特性進行標解，形成特性矩陣圖并制定出試驗規劃（D表），在小批量后，量產前進行PV（量產）驗證。

結構拓撲優化的基本概念：通過進化法與退化法對需VAVE優化的拓撲優化求解問題轉化為求解優化區域內材料的最佳分布，使相應分件 “優勝劣汰、適者生存”的選擇理念以獲得最優化結果，退化法即傳統的優化方法，是通過CAE分析找到材料共性與臨界點的最佳分布狀態且能滿足產品物性與力學及耐久的性能要求；②現代拓撲優化設計方法中基本上都要用到有限元方法，在連續體拓撲優化過程中，是通過有限元法將優化區域內的材料離散為有限個體單元或殼單元，然后通過連續的優化求解，獲得最終的優化結果。

在實際的工程設計中結構拓撲優化主要包含以下4種方法：（1）基結構法；（2）均勻化方法；（3）變厚度法；（4）變密度法；進行拓撲優化設計時要明確描述出性能指標、產品特性、設計變量、優化區域等參數，并進行VAVE計算得到最佳優化結果。

3 CAE汽車座椅安全帶固定點強度、座椅總成強度分析

3.1 關于汽車座椅安全帶（三點式）固定點測試

①M1類在肩模模擬上人體模塊，加載13500N±200N的試驗載荷；對N2和M2類的車輛，試驗加載力值為6750N±200N；而N3和M3車輛，試驗加載為4500N±200N；②對M1類腰模，下人體模塊加載13500N±200N的試驗力值；車輛類別為N2和M2類，試驗加載載設為6750 N±200 N；同理車輛N3和M3類，試驗加載為4500 N±200N。

3.2 關于網點式安全帶固定點

①對M1類腰模下人體模塊施加22250N±200N的試驗加載；車輛類別為N2和M2類，試驗模塊加載應為11100N±200N；同理車輛N3和M3類，試驗加載為7400N±200N；以J100三點式安全帶雙人椅人例，三點式安全帶靜態試驗： 座椅總成質量：27.6 kg，座椅加載負荷：182.2 kgf，上人體模塊加載負荷：459.2 kgf，下人體模塊加載負荷：550.3 kgf力值達1.3倍，且位移不過汽車座椅設計 H點10°角為測試合格。

3.3 靜態試驗

①乘客未受嚴重傷害，向每個乘坐位置的試驗座椅后部，分別向前加載（1000/H1±50）N和（2000/H2±100）N的載荷，上部模板施力中心點的最大位移≥100mm且<400mm，下部模板施力中心點的最大位移≥50mm。（H1=0.70m～0.80m，H2=0.45m～0.55m）；②座椅及其安裝足夠牢固，符合下列條件，可認為滿足要求：①試驗整體過程中，座椅上的零件、安裝件及附件未出現完全分離；②試驗整體過程中，即使一個或多個固定件部分地分離，座椅仍能牢牢地固定住，且所有鎖止系統保持鎖死；③試驗結束后，座椅上的零件、安裝件和附件等結構件無任何可能導致人體傷害的尖角、銳角或斷裂；以J100三點式安全帶雙人椅為例Left H1：750mm /Left H2：550mm，Left F1：136.1kgf/Left F2：371kgf， Right H1：750mm /Right Left H2：550mm，Right F1：136.1kgf/ Right F2：371kgf。

3.4 座椅靠背后部的吸能特性

頭型以24.1km/h的速度向座椅靠背后部撞擊，加給頭型的減速度，連續超過80g的時間不得超過3ms，以J100三點式安全帶雙人椅為例最大加速度25.6g，超過80g的持續作用時間為0ms。同時沒有危險的邊棱出現，符合標準要求。

汽車的輕量化就是在保證其剛度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，以達到降低能耗的目的，而汽車座椅作為汽車整備質量的主要覆蓋件之一，對汽車整備質量的輕量化起著舉足輕重的決定作用。

參考文獻

[1]劉曉剛.轉向架中心銷有限元分析及拓撲優化[D].沈陽：東北大學，2009.

[2]譚衛鋒.某客車座椅靜態與動態試驗數值模擬及試驗驗證研究[D].廈門：廈門理工學院，2015.

[3]洪偉鵬.某轎車發動機罩材料/結構一體化輕量化方法研究[D].廈門：廈門理工學院，2016.