汽車座椅骨架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化分析

唐國強(qiáng)

江西江鈴李爾內(nèi)飾系統(tǒng)有限公司 江西省南昌市 330200

要想實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，同時又要滿足不斷提高的產(chǎn)品安全要求，就要最大限度的進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而座椅骨架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化是不可忽略的重要手段，相比于材料材質(zhì)提高，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化具有更強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，所以在優(yōu)化設(shè)計中生成新構(gòu)型是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計的必要條件，這也是本研究的根本出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。

圖1 擺臂拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計與非設(shè)計區(qū)域

圖2 施加載荷及邊界條件的擺臂有限元模型

圖3 拓?fù)鋬?yōu)化的流程體系

1 拓?fù)鋬?yōu)化概念與應(yīng)用

所謂的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，是在給定材料品質(zhì)和設(shè)計域內(nèi)，通過優(yōu)化設(shè)計方法可得到滿足約束條件又使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)布局形式及構(gòu)件尺寸，如圖1圖2。

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)主要是借助仿真分析、靈敏度計算、材料最優(yōu)分布等多次迭代完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化的技術(shù)手段，也就是說，當(dāng)結(jié)構(gòu)材料分布趨于飽和穩(wěn)定時，迭代即終止可能，最終達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的，具體流程如圖3所示。

目前，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅有效避免了材料的盲目使用，有效降低了汽車研發(fā)成本，提高了汽車結(jié)構(gòu)性能，而且有效縮短了汽車生產(chǎn)周期，全面提高了汽車生產(chǎn)效率。同時，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)為工程師開發(fā)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化產(chǎn)品或汽車新構(gòu)型提供了重要保障。當(dāng)然，需要重點(diǎn)指出的是，因拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是以零件結(jié)構(gòu)荷載力分布為依據(jù)，定向的提供最佳的材料分布方案，這樣不僅有效提高了結(jié)構(gòu)性能，而且強(qiáng)化了結(jié)構(gòu)輕量化效果，可以說，是汽車座椅骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中首選的優(yōu)化技術(shù)。

2 汽車座椅骨架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化

2.1 結(jié)構(gòu)簡化

本文的研究對象采用的是發(fā)動機(jī)后置布局，車身結(jié)構(gòu)屬于典型的非承載式結(jié)構(gòu)。車身地板是高低板結(jié)構(gòu)，座位安排也是常見的“16+1+1”形式，兩邊后方輪轂位置也屬于座椅布局的構(gòu)成，最后排的座位為四人座，其余左右兩側(cè)都是典型的雙人+單人座位，左右設(shè)有5行16個座位，再加上司機(jī)和導(dǎo)游兩個單獨(dú)座位，整車共計18個座位。為獲取更加精準(zhǔn)的座椅應(yīng)力分布參數(shù)，筆者采用殼單元對車身骨架進(jìn)行模擬，并在進(jìn)行網(wǎng)格劃分前，對整個座椅結(jié)構(gòu)，或者說是車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化設(shè)計，具體如下：

（1）去除前保險杠、后保險杠、車窗玻璃架子、踏板框架等許多非承載構(gòu)件；

（2）因?yàn)槠囎魏＞d面套的承載要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于承載的骨架，所以將其排除在計算模型框架之內(nèi)；

（3）將雙人座椅背板骨架結(jié)構(gòu)簡化成長度為570mm，寬度為 800mm 的長方形平板，座椅背板頂部的靠背鎖部分簡化為形狀尺寸為 133mm×105mm×33mm 的長方形結(jié)構(gòu)；

（4）將相鄰的交叉但不疊合的兩個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡化處理，將其視為一個“疊合交叉”節(jié)點(diǎn)。此外，在初始的有限元模型中，所有的螺栓、鉸鏈等連接方式也都進(jìn)行簡化處理，統(tǒng)一為1D焊點(diǎn)連接。

表1 優(yōu)化前后質(zhì)量對比

2.2 網(wǎng)格劃分

為了增強(qiáng)有限元模型的可視性和整體性，也為了提高管理便捷度，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，筆者將整個骨架結(jié)構(gòu)分成了六部分，包括前、后、左、右、車頂和底盤，并以模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成裝配，具體優(yōu)化設(shè)計如下：

（1）拓展不同關(guān)節(jié)面交點(diǎn)之間所形成的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確保網(wǎng)格相互間的持續(xù)性，同時實(shí)現(xiàn)共享鄰近關(guān)節(jié)結(jié)合模型邊線的共享性；部分框架焊接接頭表面邊緣處于錯位狀態(tài)，為確保網(wǎng)格劃分精準(zhǔn)性，必須要對這些部分進(jìn)行重新分割，以拓展幾何拓?fù)潢P(guān)系；消除各部件的尖角部分，以確保網(wǎng)格高質(zhì)量。

（2）在網(wǎng)絡(luò)類型和尺寸的選擇上，因車身基本采用的是40mm×40mm的Q235矩形鋼管骨架，所以選擇整體網(wǎng)格單元類型和尺寸，再加上環(huán)境因素的影響，最終將尺寸定為20mm，以確保網(wǎng)格的足夠精準(zhǔn)。當(dāng)然，針對部分復(fù)雜的幾何拓?fù)潢P(guān)系，筆者靈活采用單位合并、分割處理等手段，對網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置和規(guī)模進(jìn)行及時調(diào)整，有效確保了網(wǎng)格精準(zhǔn)度和高質(zhì)量。

（3）將體積分?jǐn)?shù)響應(yīng)定義為設(shè)計約束，將約束上限設(shè)置為 0.3，即座椅骨架上的可設(shè)計區(qū)域的體積上限為原體積的 30%，以此作為拓?fù)鋬?yōu)化的約束條件。

2.3 靜力和模態(tài)分析

2.3.1 原座椅骨架靜力學(xué)分析

（1）靜力分析。在實(shí)施荷載和約束正確的前提下，對原車座椅骨架進(jìn)行有限元靜力計算，結(jié)果顯示骨架位移最大值出現(xiàn)位置是空調(diào)安裝部位，計算結(jié)果是6.715mm。最大應(yīng)力出現(xiàn)位置是底部框架約束部位，計算結(jié)果是185mpa，以充分滿足骨架材料的應(yīng)力需求。此外，最后排座椅應(yīng)力集中于框架底部也是非常明顯的。

（2）模態(tài)分析。 通過對原始座椅骨架自由模態(tài)下模態(tài)值得計算，獲取真實(shí)的模態(tài)頻率和振動模式值?？紤]到車輛振動，為避免出現(xiàn)車輛低階共振的問題，最好將振動模式值控制在3-25hz范圍內(nèi)。此外，為避免出現(xiàn)第一彎曲模式耦合效應(yīng)的扭轉(zhuǎn)模式，模態(tài)頻率通常兩種以上模態(tài)交錯所產(chǎn)生的振動值要達(dá)到3hz以上。通過計算可知，前面步驟的車身骨架固有頻率在合理范圍內(nèi)，存在較為明顯的振動特征。

2.3.2 優(yōu)化后座椅骨架靜力學(xué)分析

（1）靜力分析。在實(shí)施荷載和約束正確的前提下，對兩個優(yōu)化座椅骨架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元靜力計算，結(jié)果顯示骨架位移最大值出現(xiàn)位置是空調(diào)安裝部位，計算結(jié)果是9.285mm。最大應(yīng)力出現(xiàn)位置是底部框架約束部位，計算結(jié)果是185mpa，充分滿足了骨架材料的應(yīng)力需求。此外，最后排座椅應(yīng)力集中于框架底部也是非常明顯的。

（2）模態(tài)分析。經(jīng)過優(yōu)化座椅骨架結(jié)構(gòu)模型的七階模態(tài)值的計算，獲得了真實(shí)的振動頻率和振動模式值。計算結(jié)果顯示，在所要求的頻率范圍內(nèi)，汽車骨架結(jié)構(gòu)在發(fā)動機(jī)和路面激勵作用下，表現(xiàn)出了良好的共振特征。

3 結(jié)果對比

3.1 靜力學(xué)對比

經(jīng)過對比觀察發(fā)現(xiàn)，汽車座椅骨架優(yōu)化前后的低階頻率的固有頻率沒有發(fā)生太大變化，也就是說，對于整車的動態(tài)性能，優(yōu)化設(shè)計并沒有對動力性能造成負(fù)面影響，結(jié)構(gòu)變化可忽略不計；而通過優(yōu)化前后精力分析結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后骨架結(jié)構(gòu)的靜力與優(yōu)化前是相同的，也就是說，優(yōu)化后的骨架結(jié)構(gòu)并沒有影響到原車的靜態(tài)剛度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，基本保持原有的靜態(tài)力學(xué)性能。

3.2 質(zhì)量對比

通過具體的質(zhì)量數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，整車橫向質(zhì)量下降了20kg，座椅骨架質(zhì)量下降了30kg，在原料的質(zhì)量上限中整車骨架質(zhì)量下降了50kg，具體如表1所示。所以，座椅骨架優(yōu)化設(shè)計方案是可行的，一定程度地提高了材料利用率，降低了座椅生產(chǎn)成本。