基于OptiStruct后排座椅結構拓撲與參數優化的應用研究

李啟定，黃政平，盧磊，譚純

(廣州廣汽優利得汽車內飾系統研發有限公司，廣東廣州 510800)

0 引言

汽車行業作為制造業的支柱產業，飛速發展。汽車零部件對產品的性能要求也愈發嚴苛，輕量化設計是各大汽車廠商追求的方向。在結構設計與優化方面，汽車座椅在安全約束系統中占據不可忽視的地位，并承擔保護乘員安全的重要責任，拓撲優化是該領域最具有生命力的新興研究方向[1-2]。利用優化軟件進行拓撲優化能先導設計，定義設計方向，提高設計效率。文中基于OptiStruct優化軟件，對汽車后排座椅6分背在安全帶固定點強度試驗的工況下，同時進行管架結構形式的拓撲與圓管截面參數的優化。

1 后排座椅靠背管架結構拓撲與參數優化的研究

1.1 后排座椅靠背結構及試驗受力的特點

后排座椅6分背結構特點可以概括為兩點：首先，其6分背骨架的組成形式主要是以空心圓管通過焊接形成的管架結構；其次，骨架外框結構形式較為固定。

文中主要是基于安全帶固定點的工況進行座椅后排6分背的優化，從試驗變形結果(如圖1所示)分析來看，管架結構主要變形模式為彎曲變形。

圖1 試驗變形結果圖

從受力圖(如圖2所示)分析來看，管架結構的主要受力形式為彎矩。這是安全帶固定點工況的主要受力特點。

圖2 受力分析圖

1.2 優化模型理論依據

在OptiStruct拓撲優化基礎模型中，主要有片體單元優化及實體單元優化兩種形式。綜合上面的分析，使用實體模型分析時，其框架結構截面為矩形，而實際模型截面形狀為圓環型，在此，必須進行有效的轉換才能保證有效的優化。

結合試驗變形與受力分析，基于彎曲變形等效，可以將實體與空心管進行等效轉換，如下式：

其中：ρ為彎曲變形曲率；IZ為抗彎模量。

由上式可以推出，在相同彎矩及相同材料的情況下，彎曲變形相同的條件為IZ相等。基于此得出：6分背管架結構轉化為OptiStruct實體優化模型的理論依據為抗彎模量相等(彎矩等效)。

1.3 骨架結構幾何參數轉換

矩形實體結構示意圖如圖3所示，其抗彎模量計算如下式：

圖3 矩形實體

空心圓管結構示意圖如圖4所示，其抗彎模量計算如下式：

圖4 空心圓管

1.4 優化模型有效性驗證

表1 彎矩等效轉換表

圖5所示為原始模型(空心圓管)，圖6所示為原始模型結果。

圖5 原始模型

圖6 原始模型結果

圖7所示為優化模型(矩形截面)，圖8所示為優化模型結果。

圖7 優化模型(等效模型)

圖8 優化模型結果

原始模型和優化模型通過彎矩等效理論進行轉換后，其有效率如表2所示。

表2 原始模型和彎矩轉換模型間的有效率

2 案例應用

通過上面彎矩等效轉換得到等效模型，其設計區域可設為無非設計區域、有非設計區域兩種。具體如圖9—圖10所示。

在設計區域設置優化響應，包括位移響應、體積分數響應及柔度響應。具體響應及約束方案設置如表3所示。

表3 設計區域約束方案

經國標查詢得到能使用的管徑大小規格，定義3種管徑規格的方案如表4所示，之后進行仿真得出仿真結果。

表4 彎矩等效參數優化方案 mm

依照表4的方案定義優化模型外框尺寸，并以表3為各個方案的約束條件，進行優化計算得出各個方案的最佳傳力路徑及受力形式的結果，如表5所示。

從表5可以看出各個方案的具體傳力路徑，并得出以下幾個結論：首先，從無非設計區域結果來看，固定的外框結構不是最佳傳力路徑；其次，從有非設計區域結果來看，主要的受力部位為左側與上下外框；最后，如果在外框結構不能更改的情況下，在左側增加豎向的管件結構可以有效提高剛度。

表5 優化結果匯總

2.1 優化方案制定

依據表5的方案結果，參考最優傳力路徑，分別對原始模型的管徑規格及管徑厚度進行優化，各方案匯總如表6所示。

表6 優化方案匯總

2.2 優化結果驗證

依據表6方案匯總，分別進行安全帶固定點(靜態)仿真及行李箱沖擊(動態)仿真，具體如表7—表8及圖11—圖12所示，對仿真結果進行匯總如表9—表10所示。

表7 安全帶固定點優化結果

表8 行李箱沖擊仿真結果

圖11 安全帶固定點位移圖

圖12 行李箱沖擊位移圖

表9 安全帶固定點結果匯總

表10 行李箱沖擊仿真結果匯總

通過結果對比可以看出：經過拓撲優化得到的結果來制定優化方案，其效果都有所提升，其中方案一和方案二通過對材料的重新分布，主要體現在性能的提高，方案二在剛度改善上達47%。方案三以拓撲結果為依據通過結構形式的改變和管徑的改變，使整體輕量化，質量下降7.2%，同時剛度都有一定的提高。

3 結論

基于OptiStruct進行拓撲與參數優化，能有效實現輕量化、高性能的設計，降低成本、提升產品性能，通過對優化結果的解讀，能直接有效地提供結構設計的尺寸、結構、位置等幾何參數，定義設計方向，提高設計效率。基于彎矩等效轉換的力學依據可靠有效，能將管架結構有效地轉化為優化基礎模型。