客車座椅輕量化的CAE優(yōu)化分析

錢志剛

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

關(guān)鍵詞：汽車座椅；CAE；拓?fù)鋬?yōu)化；材料輕量化

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 客車座椅輕量化CAE理念

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

標(biāo)準(zhǔn)的CAE有限元分析流程：首先運(yùn)用Hypermesh建模進(jìn)行前處理，導(dǎo)入CATIA數(shù)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(tǒng)的（設(shè)計—試制—測試—改進(jìn)設(shè)計—再試制）重復(fù)過程，減少時間上的浪費(fèi)，縮短了開發(fā)周期，減少人力、物力各財力的消耗而降低開發(fā)成本，改變?yōu)椋ㄔO(shè)想優(yōu)化—設(shè)計—CAE虛擬試驗—建立—試驗—產(chǎn)生利潤）。

（1）基于靜力學(xué)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(xué)性能，并對汽車座椅的座骨架與靠背總成進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果重新設(shè)計內(nèi)板與管結(jié)構(gòu)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(yè)輕量化的設(shè)計目標(biāo)，針對拓?fù)鋬?yōu)化后的汽車座椅的座骨架與靠背總成，選擇了高強(qiáng)度鋼（座靠支架）、鋁合金（座與靠骨架、滑軌、腳踏）以及碳纖維復(fù)合材料作為輕量化材料，設(shè)定了3種不同方案對汽車座椅進(jìn)行材料輕量化設(shè)計，通過CAE對比分析材料輕量化后汽車座椅的綜合力學(xué)性能，最終確定采用高強(qiáng)度鋼的汽車座椅適合公司需要，且其輕量化效果達(dá)到了11.6%；在汽車輕量化設(shè)計運(yùn)用中，鎂鋁合金、塑料、高強(qiáng)鋼、碳纖維、復(fù)合材料等廣泛采用輕量化材料（見表1）。

2 汽車座椅CAE拓?fù)鋬?yōu)化和分析流程

在汽車座椅APQP產(chǎn)品先期策劃過程中，設(shè)計人員對新開發(fā)的汽車座椅首先依據(jù)物性實(shí)驗要求進(jìn)行CAE靜態(tài)分析與DV（設(shè)計）驗證，后續(xù)協(xié)同質(zhì)量管理部對汽車座椅CC≻的特殊特性清單中關(guān)鍵與重要的特性進(jìn)行標(biāo)解，形成特性矩陣圖并制定出試驗規(guī)劃（D表），在小批量后，量產(chǎn)前進(jìn)行PV（量產(chǎn)）驗證。

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的基本概念：通過進(jìn)化法與退化法對需VAVE優(yōu)化的拓?fù)鋬?yōu)化求解問題轉(zhuǎn)化為求解優(yōu)化區(qū)域內(nèi)材料的最佳分布，使相應(yīng)分件 “優(yōu)勝劣汰、適者生存”的選擇理念以獲得最優(yōu)化結(jié)果，退化法即傳統(tǒng)的優(yōu)化方法，是通過CAE分析找到材料共性與臨界點(diǎn)的最佳分布狀態(tài)且能滿足產(chǎn)品物性與力學(xué)及耐久的性能要求；②現(xiàn)代拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法中基本上都要用到有限元方法，在連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化過程中，是通過有限元法將優(yōu)化區(qū)域內(nèi)的材料離散為有限個體單元或殼單元，然后通過連續(xù)的優(yōu)化求解，獲得最終的優(yōu)化結(jié)果。

在實(shí)際的工程設(shè)計中結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化主要包含以下4種方法：（1）基結(jié)構(gòu)法；（2）均勻化方法；（3）變厚度法；（4）變密度法；進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計時要明確描述出性能指標(biāo)、產(chǎn)品特性、設(shè)計變量、優(yōu)化區(qū)域等參數(shù)，并進(jìn)行VAVE計算得到最佳優(yōu)化結(jié)果。

3 CAE汽車座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度、座椅總成強(qiáng)度分析

3.1 關(guān)于汽車座椅安全帶（三點(diǎn)式）固定點(diǎn)測試

①M(fèi)1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(shè)為6750 N±200 N；同理車輛N3和M3類，試驗加載為4500 N±200N。

3.2 關(guān)于網(wǎng)點(diǎn)式安全帶固定點(diǎn)

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?zāi)K加載應(yīng)為11100N±200N；同理車輛N3和M3類，試驗加載為7400N±200N；以J100三點(diǎn)式安全帶雙人椅人例，三點(diǎn)式安全帶靜態(tài)試驗： 座椅總成質(zhì)量：27.6 kg，座椅加載負(fù)荷：182.2 kgf，上人體模塊加載負(fù)荷：459.2 kgf，下人體模塊加載負(fù)荷：550.3 kgf力值達(dá)1.3倍，且位移不過汽車座椅設(shè)計 H點(diǎn)10°角為測試合格。

3.3 靜態(tài)試驗

①乘客未受嚴(yán)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(diǎn)的最大位移≥100mm且<400mm，下部模板施力中心點(diǎn)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(rèn)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(xiàn)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(tǒng)保持鎖死；③試驗結(jié)束后，座椅上的零件、安裝件和附件等結(jié)構(gòu)件無任何可能導(dǎo)致人體傷害的尖角、銳角或斷裂；以J100三點(diǎn)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(xù)超過80g的時間不得超過3ms，以J100三點(diǎn)式安全帶雙人椅為例最大加速度25.6g，超過80g的持續(xù)作用時間為0ms。同時沒有危險的邊棱出現(xiàn)，符合標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量，以達(dá)到降低能耗的目的，而汽車座椅作為汽車整備質(zhì)量的主要覆蓋件之一，對汽車整備質(zhì)量的輕量化起著舉足輕重的決定作用。

參考文獻(xiàn)

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