基于多工況的汽車座椅骨架輕量化設(shè)計(jì)

倪維宇，張 橫，姚勝衛(wèi)

（1.上海理工大學(xué)公共實(shí)驗(yàn)中心，上海 200093；2.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

座椅作為汽車碰撞過(guò)程中保護(hù)車內(nèi)駕乘人員的重要部件，其結(jié)構(gòu)的整體剛度決定了安全性［1］。座椅關(guān)鍵構(gòu)件的尺寸參數(shù)是影響安全性的直接因素，對(duì)尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)座椅的輕量化設(shè)計(jì)［2-5］。郭鵬程等［6］根據(jù)汽車座椅結(jié)構(gòu)的受力傳遞路徑，采用尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了座椅的輕量化，其質(zhì)量減小了1.9 kg。姚為民等［7］通過(guò)靈敏度分析確定了汽車座椅結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量，并借助尺寸優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)了座椅減重9.6%。張坤等［8］在對(duì)汽車座椅骨架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，為了不改變其主要構(gòu)件的整體形狀和位置分布，對(duì)各主要構(gòu)件的壁厚進(jìn)行優(yōu)化分配，使其在滿足使用性能和相關(guān)法規(guī)要求的同時(shí)盡可能減小質(zhì)量。

但是，目前關(guān)于汽車座椅骨架優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究通常只針對(duì)單一工況，而汽車的實(shí)際行駛過(guò)程往往涉及多個(gè)工況。基于此，筆者以汽車后排座椅為研究對(duì)象，在滿足安全法規(guī)要求的前提下，綜合考慮安全帶靜態(tài)拉伸工況和行李箱動(dòng)態(tài)碰撞工況，基于靈敏度分析選取座椅骨架關(guān)鍵構(gòu)件的厚度為設(shè)計(jì)變量，并以整個(gè)座椅骨架質(zhì)量最小為目標(biāo)，開(kāi)展座椅骨架尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，按照安全法規(guī)的要求，開(kāi)展靜、動(dòng)態(tài)工況下的有限元仿真分析和試驗(yàn)研究，以驗(yàn)證座椅骨架優(yōu)化結(jié)果的正確性以及所提出輕量化設(shè)計(jì)方法的有效性。

1 汽車座椅工況分析

汽車座椅作為一個(gè)關(guān)鍵的被動(dòng)保護(hù)裝置，在靜、動(dòng)態(tài)工況下均須滿足相關(guān)安全法規(guī)的要求。

在靜態(tài)工況下，汽車座椅須滿足《汽車安全帶安裝固定點(diǎn)、ISOFIX固定點(diǎn)及上拉帶固定點(diǎn)》（GB 14167—2013）［9］的要求。對(duì)于兩點(diǎn)式安全帶座椅，如圖1所示，在進(jìn)行安全帶靜態(tài)拉伸試驗(yàn)時(shí)，沿水平面向上10°方向?qū)θ梭w模型膝蓋處施加（22.25±0.20）kN的載荷，同時(shí)在人體模型肩部施加1個(gè)大小為座椅總成重量20倍的載荷，且最大載荷的施加至少維持0.2 s。在拉伸過(guò)程中，安全帶固定點(diǎn)不允許脫落，但可以產(chǎn)生永久變形，同時(shí)安全帶固定點(diǎn)不應(yīng)超出第一象限。

圖1 汽車座椅安全帶靜態(tài)拉伸示意Fig.1 Schematic diagram of safety belt static tension of automobile seat

在動(dòng)態(tài)工況下，汽車座椅須滿足《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》（GB15083—2019）［10］的要求。采用滑車試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行汽車座椅行李箱碰撞試驗(yàn)。如圖2所示，在車廂內(nèi)部距離座椅靠背后方200 mm的行李艙地板上水平放置2個(gè)尺寸為300 mm×300 mm×300 mm、質(zhì)量為18 kg的行李箱試樣塊，在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)臺(tái)車施加1個(gè)不小于20g的水平減速度，持續(xù)30 ms。在碰撞過(guò)程中以及碰撞后，座椅和鎖止裝置始終保持在原位置，碰撞后座椅骨架允許存在塑性變形及部分撕裂現(xiàn)象但不能斷開(kāi)。圖2中：A1為座椅靠背輪廓上關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)與A面的距離，B1為頭枕輪廓上關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)與B面的距離。若A1、B1均大于零，則說(shuō)明座椅滿足上述安全法規(guī)的要求。

圖2 汽車座椅行李箱動(dòng)態(tài)碰撞示意Fig.2 Schematic diagram of luggage compartment dynamic collision of automobile seat

2 汽車座椅骨架輕量化設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)多工況下汽車座椅骨架的輕量化設(shè)計(jì)，以某型號(hào)汽車后排座椅為例，綜合考慮安全帶靜態(tài)拉伸工況和行李箱動(dòng)態(tài)碰撞工況，對(duì)其骨架的尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 座椅骨架靈敏度分析

如圖3所示，汽車座椅骨架是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)［11］，包含了幾十個(gè)厚度不同的構(gòu)件，涉及的厚度參數(shù)較多。若將每個(gè)構(gòu)件的厚度都作為設(shè)計(jì)變量來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，不僅會(huì)對(duì)優(yōu)化結(jié)果產(chǎn)生影響，而且會(huì)使優(yōu)化迭代過(guò)程不收斂［12］，從而導(dǎo)致得不到最優(yōu)解。因此，在優(yōu)化前須對(duì)各設(shè)計(jì)變量進(jìn)行篩選，即通過(guò)靈敏度分析［13］確定合適的設(shè)計(jì)變量，從而有效地提高優(yōu)化效率。

圖3 汽車座椅骨架有限元模型Fig.3 Finite element model of automobile seat frame

靈敏度分析是指確定特性響應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)變量的靈敏程度。其中：特性響應(yīng)包括多個(gè)對(duì)象［14］，如質(zhì)量、體積、頻率、應(yīng)力和位移等；同時(shí)，設(shè)計(jì)變量也包含多個(gè)種類，如尺寸參數(shù)、截面特性參數(shù)等。從本質(zhì)上看，靈敏度分析就是求特性響應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)變量的偏導(dǎo)數(shù)，即：

式中：λij為第j個(gè)特性響應(yīng)對(duì)第i個(gè)設(shè)計(jì)變量的靈敏度；rj為第j個(gè)特性響應(yīng)；xi為第i個(gè)設(shè)計(jì)變量。

汽車座椅骨架主要由鈑金件和管件構(gòu)成。在靜、動(dòng)態(tài)工況下，座椅骨架承受的載荷主要是安全帶拉伸力和行李箱的碰撞沖擊力，其中座椅靠背的厚度變化對(duì)能量吸收有較大的影響［15］。因此，在汽車座椅骨架輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，選取座椅骨架的背板、管件以及連接件的厚度作為設(shè)計(jì)變量，其初始值和上下限如表1所示。綜合考慮靜、動(dòng)態(tài)兩種工況［16］，以座椅骨架的質(zhì)量為響應(yīng)進(jìn)行靈敏度分析，以確定合適的座椅骨架尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。

表1 汽車座椅骨架各構(gòu)件厚度的初始值和上下限Table 1 Initial value and upper and lower limits of each component thickness of automobile seat frame 單位：mm

拉丁超立方抽樣方法［17］是一種近似隨機(jī)地生成均勻樣本點(diǎn)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和抽樣方法，可用于n維問(wèn)題的抽樣和設(shè)計(jì)。拉丁超立方抽樣方法具有樣本記憶功能，可避免重復(fù)抽樣，抽樣效率較高且可在樣本較少的情況下獲得較高的計(jì)算精度［18］。基于拉丁超立方抽樣方法，獲得座椅骨架各構(gòu)件質(zhì)量的占比，結(jié)果如圖4所示。圖4中：序號(hào)1—8分別對(duì)應(yīng)60%中間圓管、背板、40%框架圓管、60%框架方管、60%框架圓管、閉鎖連接件、管連接件和底板連接件。

圖4 汽車座椅骨架各構(gòu)件質(zhì)量的占比Fig.4 Mass proportion of each component of automobile seat frame

由圖4可知，對(duì)汽車座椅骨架質(zhì)量影響較大的構(gòu)件為背板、60%框架圓管、40%框架圓管、60%框架方管和管連接件，其質(zhì)量占整個(gè)座椅骨架的97%。由此可知，座椅骨架質(zhì)量對(duì)這5個(gè)構(gòu)件厚度的靈敏度最高。因此在對(duì)座椅骨架進(jìn)行尺寸優(yōu)化時(shí)，選取這5個(gè)關(guān)鍵構(gòu)件的厚度作為設(shè)計(jì)變量。這5個(gè)關(guān)鍵構(gòu)件在座椅骨架上的分布位置如圖5所示。

圖5 汽車座椅骨架關(guān)鍵構(gòu)件的分布位置Fig.5 Distribution position of key components of automobile seat frame

為了提高優(yōu)化效率，根據(jù)靈敏度分析得到的5個(gè)設(shè)計(jì)變量，簡(jiǎn)化汽車座椅骨架的結(jié)構(gòu)，并采用克里金函數(shù)構(gòu)建座椅骨架近似模型［19］，其預(yù)測(cè)誤差如圖6所示。結(jié)果表明，基于近似模型的座椅骨架性能預(yù)測(cè)值與真實(shí)值吻合良好，說(shuō)明該近似模型的精度較高［20］，可代替原模型，用于后續(xù)的尺寸優(yōu)化分析。

圖6 汽車座椅骨架近似模型的相對(duì)誤差Fig.6 Relative error of approximate model of automobile seat frame

2.2 座椅骨架尺寸優(yōu)化

汽車后排座椅結(jié)構(gòu)安全性的設(shè)計(jì)理念為：在碰撞過(guò)程中，座椅吸能件應(yīng)盡可能吸收沖擊能量，且吸能件僅發(fā)生可控、規(guī)則和穩(wěn)定的塑性變形，同時(shí)座椅在撞擊過(guò)程中產(chǎn)生的平均和最大撞擊載荷應(yīng)盡可能小，以減少對(duì)乘員的傷害。為保證座椅骨架的剛度以及安全性，以背板、60%框架圓管、40%框架圓管、60%框架方管和管連接件的厚度為設(shè)計(jì)變量（X=［d1d2d3d4d5］），以座椅骨架質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，以靜態(tài)工況下的位移以及動(dòng)態(tài)工況下的最大沖擊載荷為約束條件，對(duì)座椅骨架進(jìn)行尺寸優(yōu)化［20］。構(gòu)建的多工況下座椅骨架尺寸優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中：M為座椅骨架的質(zhì)量；δs（X）、δs*分別為靜態(tài)工況下關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)與參考面之間的相對(duì)距離和法規(guī)規(guī)定的安全距離；δd（X）、δd*分別為動(dòng)態(tài)工況下關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)與參考面之間的相對(duì)距離和法規(guī)規(guī)定的安全距離；F為動(dòng)態(tài)工況下的最大沖擊載荷；F*為最大沖擊載荷的約束值；diU、diL分別為各構(gòu)件厚度的上、下限。

根據(jù)安全法規(guī)規(guī)定的靜、動(dòng)態(tài)工況，基于汽車座椅骨架的近似模型，運(yùn)用模擬退火算法［21］對(duì)其進(jìn)行尺寸優(yōu)化。根據(jù)工程中座椅骨架構(gòu)件的實(shí)際尺寸以及座椅加工工藝要求，對(duì)構(gòu)件的厚度進(jìn)行圓整，最終的優(yōu)化結(jié)果如表2所示。將優(yōu)化圓整得到的構(gòu)件厚度代入座椅骨架原模型，重新進(jìn)行分析計(jì)算，可得優(yōu)化后的座椅骨架質(zhì)量為16.11 kg，相比于優(yōu)化前的17.49 kg減小了7.89%。

表2 優(yōu)化前后汽車座椅骨架關(guān)鍵構(gòu)件的厚度Table 2 Thickness of key components of automobile seat frame before and after optimization 單位：mm

2.3 座椅骨架尺寸優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述理論優(yōu)化結(jié)果的正確性，開(kāi)展多工況下汽車座椅的有限元仿真分析和試驗(yàn)研究。

2.3.1 仿真驗(yàn)證

將優(yōu)化后的構(gòu)件厚度代入座椅骨架有限元模型，按安全法規(guī)要求設(shè)置安全帶靜態(tài)拉伸工況和行李箱動(dòng)態(tài)碰撞工況的約束條件并進(jìn)行仿真分析。

在靜態(tài)工況下，優(yōu)化后座椅骨架的變形云圖如圖7所示。由圖7可知，該座椅的安全帶固定點(diǎn)未超過(guò)第一象限。優(yōu)化前后座椅安全帶固定點(diǎn)的位移如圖8所示。由圖8可知，座椅X方向的變形量由277.32 mm增大到290.57 mm（X方向的最大允許變形量為355.60 mm）；Z方向的變形量由1.0 mm增大到2.7 mm（Z方向的最大允許變形量為68.7 mm），均在法規(guī)允許范圍內(nèi)。

圖7 靜態(tài)工況下汽車座椅骨架的變形云圖（優(yōu)化后）Fig.7 Deformation nephogram of automobile seat frame under static condition(after optimization)

圖8 靜態(tài)工況下汽車座椅安全帶固定點(diǎn)的位移Fig.8 Displacement of safety belt fixed point of automobile seat under static condition

在動(dòng)態(tài)工況下，優(yōu)化后座椅骨架的變形云圖如圖9所示。從圖9中可以看出，由于優(yōu)化后座椅骨架關(guān)鍵構(gòu)件的厚度減小，使得其剛度降低，從而導(dǎo)致其變形相對(duì)增大。優(yōu)化前后座椅骨架上關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)與A、B面的最小距離如表3所示。結(jié)果表明，各測(cè)點(diǎn)均未超越法規(guī)規(guī)定的A面和B面，即均在法規(guī)允許范圍內(nèi)。

圖9 動(dòng)態(tài)工況下汽車座椅骨架的變形云圖（優(yōu)化后）Fig.9 Deformation nephogram of automobile seat frame under dynamic condition(after optimization)

表3 動(dòng)態(tài)工況下汽車座椅骨架上各關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)與A、B面的最小距離Table 3 Minimum distance between key measuring points on automobile seat frame and surfaces A,B under dynamic condition

綜上所述，仿真結(jié)果表明優(yōu)化后的座椅滿足相應(yīng)安全法規(guī)的要求，從理論角度驗(yàn)證了座椅骨架尺寸優(yōu)化結(jié)果的正確性。

2.3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證座椅骨架尺寸優(yōu)化結(jié)果的正確性，根據(jù)優(yōu)化得到的座椅骨架關(guān)鍵構(gòu)件的厚度，制作了座椅試件，并分別在靜、動(dòng)態(tài)工況下對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究。首先，根據(jù)安全法規(guī)的要求，在靜態(tài)工況下，對(duì)座椅安全帶進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，所用裝置如圖10所示（用質(zhì)量塊代替人體模型）。在開(kāi)始試驗(yàn)前，沿水平面向上10°方向?qū)Π踩珟┘?.0～1.5 kN的預(yù)載荷；在試驗(yàn)過(guò)程中，先在人體模型膝蓋對(duì)應(yīng)位置處施加13.5 kN（100%）的載荷，在肩部對(duì)應(yīng)位置處施加大小為座椅總成重量20倍的載荷，然后在2 s內(nèi)快速施加120%的標(biāo)準(zhǔn)載荷（約16.2 kN），保持10 s后再釋放。

圖10 汽車座椅安全帶靜態(tài)拉伸試驗(yàn)裝置Fig.10 Safety belt static tension test device for automobile seat

在靜態(tài)工況下，座椅整體的變形情況如圖11所示，座椅骨架變形較大位置以及安全帶鎖扣變形情況如圖12所示。結(jié)果表明，在靜態(tài)工況下，座椅骨架沒(méi)有發(fā)生撕裂，安全帶鎖扣區(qū)域沒(méi)有失效，說(shuō)明優(yōu)化后的座椅在靜態(tài)工況下滿足GB 14167—2013的要求。

圖11 靜態(tài)工況下汽車座椅的整體變形情況Fig.11 Overall deformation of automobile seat under static condition

圖12 靜態(tài)工況下汽車座椅骨架變形較大位置及安全帶鎖扣變形情況Fig.12 Large deformation position of automobile seat frame and deformation of safety belt buckle under static condition

在動(dòng)態(tài)工況下，對(duì)座椅進(jìn)行行李箱碰撞試驗(yàn)。如圖13所示，采用地腳螺栓和壓板將座椅固定在臺(tái)車上，并在距離座椅靠背后方200 mm處放置2個(gè)質(zhì)量為18 kg的行李箱試樣塊（2個(gè)行李箱試樣塊的橫向距離為50 mm）。在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)臺(tái)車施加20g的水平減速度，行李箱試樣塊在慣性作用下對(duì)座椅進(jìn)行碰撞沖擊。

圖13 汽車座椅行李箱動(dòng)態(tài)碰撞試驗(yàn)裝置Fig.13 Luggage compartment dynamic collision test device for automobile seat

動(dòng)態(tài)工況下座椅及其骨架的變形情況如圖14所示。結(jié)果表明，座椅骨架未出現(xiàn)撕裂或分離現(xiàn)象，行李箱未沖破座椅骨架，仍位于座椅后；座椅頭枕位移未超過(guò)規(guī)定值。由此說(shuō)明，優(yōu)化后的座椅滿足GB 15083—2019的要求。

圖14 動(dòng)態(tài)工況下汽車座椅及其骨架的變形情況Fig.14 Deformation of automobile seat and its frame under dynamic condition

綜上所述，試驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化后的座椅滿足相應(yīng)安全法規(guī)的要求，從實(shí)際角度驗(yàn)證了座椅骨架尺寸優(yōu)化結(jié)果的正確性。

3 結(jié) 論

基于汽車座椅的靜、動(dòng)態(tài)工況，提出了座椅骨架輕量化設(shè)計(jì)方法，即綜合考慮安全帶靜態(tài)拉伸工況和行李箱動(dòng)態(tài)碰撞工況下的要求，對(duì)座椅骨架進(jìn)行尺寸優(yōu)化。首先，通過(guò)靈敏度分析確定了合適的設(shè)計(jì)變量。然后，建立多工況下座椅骨架尺寸優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，獲得了理想的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果——在不改變座椅骨架結(jié)構(gòu)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了減重7.89%。最后，根據(jù)安全法規(guī)的要求，分別在靜、動(dòng)態(tài)工況下對(duì)優(yōu)化后的座椅進(jìn)行有限元仿真分析和試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，優(yōu)化后的座椅滿足相應(yīng)安全法規(guī)的要求，驗(yàn)證了座椅骨架尺寸優(yōu)化結(jié)果的正確性和所提出輕量化設(shè)計(jì)方法的有效性。