王淑芬，胡文文，李玉光，趙天鵬

(大連大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧大連116622)

0 引 言

小型化、輕量化、模塊化、電子化、系列化、自動化、智能化及個性化是2000年以來整車發(fā)展的趨勢，實現(xiàn)汽車輕量化意味著節(jié)約材料及燃油。而使用汽車、制造汽車及原材料的提煉的燃油比例大約為85∶5∶10，據(jù)調(diào)查顯示，當(dāng)汽車質(zhì)量每減少100 kg，可以節(jié)省油0.2 L/100 km ～0.3 L/100 km［1］，在資源越來越貧乏的今天，節(jié)省燃油刻不容緩。因此，各國的汽車制造商們都想方設(shè)法地減輕汽車質(zhì)量。

汽車座椅是聯(lián)系車與人的重要部件，汽車座椅骨架又是汽車座椅的主要承載結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的好壞既影響乘坐者乘坐的舒適性也影響到座椅的壽命。當(dāng)今汽車制造業(yè)的發(fā)展日趨成熟，座椅的制造技術(shù)也在不斷發(fā)展，這就要求在設(shè)計汽車座椅時，需要盡可能地減輕汽車質(zhì)量，同時還要滿足座椅骨架的強度、剛度及工藝改造等因素要求，所以對汽車座椅骨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的意義。

汽車輕量化的一種方法是結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指在滿足給定的條件下，尋找給定目標(biāo)函數(shù)的極大值或者極小值的過程。結(jié)構(gòu)優(yōu)化根據(jù)設(shè)計變量的不同，分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。而結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化是指在給定的外載荷和邊界條件下，在滿足約束的前提下通過改變結(jié)構(gòu)拓?fù)涫菇Y(jié)構(gòu)性能達(dá)到最優(yōu)。相對尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化而言，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的經(jīng)濟(jì)效益更為突出，因此在優(yōu)化設(shè)計中產(chǎn)生新構(gòu)型是結(jié)構(gòu)實現(xiàn)智能自動化設(shè)計所必不可少的條件。

拓?fù)鋬?yōu)化理論最早是在桁架等離散結(jié)構(gòu)上應(yīng)用，比較好地解決了這些簡單的問題，但是不能很好地解決連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化。后經(jīng)有關(guān)科研人員的艱苦探索和不懈努力，提出了均勻法、變厚度法、變密度法等解決連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的新方法［2］。

本研究主要應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化方法，以人體壓力分布為約束條件，對坐墊進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化;根據(jù)鎂合金材料特點及加工特點修改座椅模型;再對調(diào)整后的座椅進(jìn)行靜力學(xué)分析，檢測其是否滿足汽車座椅的要求。

1 拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型

拓?fù)鋬?yōu)化中的均勻化優(yōu)化方法，其基本思想是在拓?fù)鋬?yōu)化中引入所謂微結(jié)構(gòu)，該方法以孔洞尺寸為設(shè)計變量，以孔洞尺寸的消長實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的增刪，從而改變結(jié)構(gòu)拓?fù)洹?種微結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 4種微結(jié)構(gòu)形式

Bendsoe給出了以結(jié)構(gòu)柔度最小為目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化模型:

式中:ai—微結(jié)構(gòu)中正方形孔的邊長，C—結(jié)構(gòu)柔度，V—結(jié)構(gòu)實際體積，Vmax—給定的結(jié)構(gòu)最大體積。

有限元中拓?fù)鋬?yōu)化方法應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化方法中的均勻化優(yōu)化方法［3-4］。

2 汽車座椅骨架輕量化研究

2.1 座椅結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程的制定

汽車座椅的輕量化設(shè)計就是在保證座椅骨架結(jié)構(gòu)性能要求和可制造性的前提下，應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計的方法，減少多余的材料，提高材料的利用率，以達(dá)到骨架結(jié)構(gòu)輕量化的目的。因此，本研究制定相關(guān)的設(shè)計流程結(jié)構(gòu)圖來提高座椅的設(shè)計效率，流程圖如圖2所示。輕量化的另一種方法是在滿足力學(xué)性能的要求下選用輕質(zhì)材料，本研究中的骨架選用鎂合金材料，材料參數(shù)如表1所示。

圖2 座椅骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程圖

表1 骨架的材料參數(shù)

2.2 座椅骨架的建模及其有限元分析

汽車座椅對舒適性影響很大，世界各國有關(guān)廠家都運用人機工程學(xué)原理來設(shè)計和研究開發(fā)座椅。其中要充分考慮人體尺寸、人體重量、乘坐姿態(tài)和體壓等因素。

根據(jù)人機工程學(xué)設(shè)計座椅時，其各部分與人體要有緊密的貼合感，由于坐骨粗壯，其周圍肌肉要承受很大的壓力，大腿底部有神經(jīng)系統(tǒng)和大血管，壓力過大時神經(jīng)傳導(dǎo)會感到不適，還會影響血液循環(huán)。本研究按照臀部不同部位不同壓力的原則來分布坐墊上的壓力:即坐骨處壓力最大，向四周逐漸減小，到大腿部位的壓力降到最小值。腰錐在承受人的上體全部質(zhì)量的同時，還要承受因人體運動的彎腰等活動，使腰曲超出正常脊柱生理弧型，從而產(chǎn)生腰曲變形。所以，腰椎部分最易受到損傷，腰曲變形嚴(yán)重。在座椅的設(shè)計時，主要考慮兩個方面:首先為了減輕頸椎的壓力，要設(shè)計肩靠，大約在人的第五和第六頸椎的地方;其次就是腰靠，支撐腰部，減小因彎腰駕駛產(chǎn)生的疲憊感，就像靠枕一樣，墊在腰部，讓駕駛員可以輕松駕駛。

根據(jù)汽車設(shè)計對人體的布置和舒適坐姿要求，不僅要進(jìn)行座椅布置，還要進(jìn)行座椅和操縱裝置相對位置的確定;按照坐姿舒適性選擇座椅坐墊座深、座寬、高度、以及坐墊傾角、靠背和坐墊夾角與靠背的高;確定方向盤與座椅、加速踏板與座椅的及操縱裝置與座椅的相對位置，同時還要確定座椅的水平和垂直調(diào)節(jié)量。

最后再根據(jù)鎂合金材料特點，應(yīng)用Pro/E建立實體裝配模型如圖3所示。其中，座椅坐墊的長、寬、高;靠背的長、寬尺寸以及坐墊與靠背傾角如表2所示。

圖3 座椅骨架的Pro/E實體裝配模型

表2 座椅骨架基本尺寸

2.3 座椅拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

本研究主要是應(yīng)用ANSYS對座椅坐墊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，因此需將Pro/E模型導(dǎo)入ANSYS中，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)合并等處理。對坐墊進(jìn)行優(yōu)化時，筆者先將坐墊簡化并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置單元尺寸為10 mm，單元類型為六面體單元，模型總結(jié)點數(shù)12 584，單元數(shù)為7 500。座椅的工況以壓力為主，約束位置為左、右兩側(cè)。

ANSYS中的拓?fù)鋬?yōu)化模塊與傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計不同，拓?fù)鋬?yōu)化不需要給出參數(shù)和優(yōu)化變量的定義［6-7］，目標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)變量和設(shè)計變量都是預(yù)定義好的，用戶只要給出結(jié)構(gòu)參數(shù)(材料特性、模型、載荷等)。在滿足V=60(也就是滿足最大剛度準(zhǔn)則要求的的情況下省去60%的材料)的條件下，根據(jù)表1設(shè)定座椅的材料屬性，坐墊邊框設(shè)為不優(yōu)化區(qū)域，約束條件為所承受人體載荷。指人體與座椅之間的壓力分布，是影響乘坐舒適性的重要因素。在人就坐時，約80%的身體重量經(jīng)過臀部、背部隆起部分及其附著的肌肉壓在座椅面上，因此坐姿的體壓分布同時也是設(shè)計座椅結(jié)構(gòu)的重要因素之一。座椅壓力分布如圖4所示。本研究設(shè)定省去材料60%，載荷工步數(shù)為4，迭代次數(shù)30次，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到結(jié)果如圖5所示。圖5中，淺灰色為保留材料，深灰色為去除的材料，從結(jié)果中看出，保留區(qū)域與座椅壓力載荷的分布基本一致，壓力值大的地方，是優(yōu)化結(jié)果中保留最多的部分。

圖4 壓力分布圖

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

2.4 基于拓?fù)鋬?yōu)化的新座椅坐墊設(shè)計

拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果確定座椅坐墊的結(jié)構(gòu)造型。由于該坐墊是鎂合金M60壓鑄件，設(shè)計壓鑄件時，不僅要考慮其工作功能和力學(xué)性能的要求，還要考慮合金鑄造性能、鑄造工藝對鑄造結(jié)構(gòu)［8］的要求。鑄造結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，對鑄件質(zhì)量、生產(chǎn)率和制造成本都有很大的影響。

采用壓鑄的加工方法時，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，薄壁及均勻壁厚是壓鑄工藝中基本的設(shè)計原則。本研究所選用的材料鎂合金流動性好，用來壓鑄薄壁件時就不會出現(xiàn)熱裂和澆不足等問題。拓?fù)鋬?yōu)化后的坐墊壁厚均勻。一般來說，鎂合金的正常壓鑄壁厚為2 mm～4 mm。在無需特殊加工的條件下，可壓鑄壁厚最小可達(dá)0.635 mm的薄壁壓鑄件［9］。經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化后的坐墊厚度為10 mm，綜合座椅結(jié)構(gòu)及根鎂合金壓鑄件要求的壁厚，定為4 mm。在使用壓鑄方法加工產(chǎn)品時，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中、裂紋等缺陷，因此，設(shè)計壓鑄件的過渡方法是選用圓弧漸變過渡。而銜接處的圓角半徑應(yīng)該盡量選用準(zhǔn)許范圍內(nèi)的最大值，其最小也不能小于壓鑄件的最小壁厚。

在使用壓鑄方法加工產(chǎn)品時，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中、裂紋等缺陷，因此，設(shè)計壓鑄件的過渡方法是選用圓弧漸變過渡。而銜接處的圓角半徑應(yīng)該盡量選用準(zhǔn)許范圍內(nèi)的最大值，其最小也不能小于壓鑄件的最小壁厚。

通常推薦脫模斜度一般是2°～5°，也可見斜度為1°～3°的設(shè)計。鎂合金有優(yōu)良的熱收縮特性，而與鐵的親和度較低，因此有時可采用零拔模斜度。在型芯和壁設(shè)定時，較小的脫模斜度能使壓鑄件重量大幅度地減輕。因此坐墊在設(shè)計時選用零拔模斜度。

分型線選擇時，為了防止側(cè)凹產(chǎn)生，簡化模具制造過程及降低成本，在設(shè)計孔時，應(yīng)該合理設(shè)置加工余量、其直徑與深度比等。本研究中座椅坐墊有孔的設(shè)計，孔比較大，坐墊厚度較小，這方面的問題不大。

在壓鑄件加工完時，需要推桿將壓鑄件頂出，所以設(shè)計時還要規(guī)定澆口位置，將推桿的位置預(yù)留出來。

根據(jù)鎂合金壓鑄件的設(shè)計原則、壓鑄的工藝特點以及對坐墊拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，修改后的座椅坐墊模型如圖6所示，應(yīng)用Pro/E裝配座椅整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 坐墊骨架結(jié)構(gòu)

圖7 修改后座椅骨架整體結(jié)構(gòu)

3 優(yōu)化后座椅結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

本研究將優(yōu)化后的模型導(dǎo)入ANSYS，導(dǎo)入后需要重合的點、線、面、體先用 Merge Item 合并［10］，來減少單元的數(shù)量。座椅骨架基本上由板及管構(gòu)成，只承受彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力，因此筆者選取Solid單元，大多數(shù)座椅骨架為焊接而成的，實體單元之間就需要剛性連接，此時選用剛性單元。本研究選用六面體和四面體對優(yōu)化后的座椅骨架進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3.1 新座椅進(jìn)行總成靜強度分析

邊界條件的確定:對座椅分析模型的加載方式和固定方式，要根據(jù)具體的材料性能、安裝和固定方式而定。對于該座椅而言，轎車駕駛員座椅，座椅骨架坐墊后兩端及前端面支撐。其他位置沒有與車身鈑金相連，在分析計算模型中，對這4個安裝固定點而言，筆者采取假定螺栓不破壞的形式，直接采用rigid連接方式約束。

座椅的重心是(87，0，-88)，坐標(biāo)中心在座椅的鉸鏈中心。座椅骨架質(zhì)量為6.22 g，因此將1 217.16 N的的力向前、向后分別作用到質(zhì)心處［11］，質(zhì)心位置如圖8所示。

圖8 座椅質(zhì)心水平向前向后施力

仿真結(jié)果的分析:在座椅總成質(zhì)心處水平向前、水平向后對其施加20倍座椅總成質(zhì)量的載荷，最大位移出現(xiàn)在靠背橫桿處，最大位移為7.7×10-8mm(重力仿真位移變形圖如圖9所示)，應(yīng)力最大的區(qū)域出現(xiàn)在坐墊連接螺栓上，數(shù)值為72.03 Pa(重力應(yīng)力圖如圖10所示)，而其材料為St12(參數(shù)如表1所示)，沒有超過極限值，滿足要求。

圖9 座椅總成20倍重力仿真位移變形圖

圖10 20倍總成重力應(yīng)力圖

3.2 新座椅的靠背靜強度仿真

邊界條件的確定:進(jìn)行座椅靠背靜強度仿真分析時，座椅是通過滑軌與車身地板連接，約束方式與進(jìn)行座椅總成靜強度仿真時的約束方式相同，而力的加載方式則不同。該模型加力點選擇在座椅靠背的橫管上。對座椅R點加載530 N·m的力矩時相當(dāng)于在用座椅靠背橫梁上的加載的大小為2 586.4 N的力。

仿真結(jié)果的分析:當(dāng)對座椅R點加載530 N·m的力矩時，作用在座椅靠背橫管上的力的大小應(yīng)為2 586.4 N，應(yīng)力圖如圖11所示，最大應(yīng)力為8.5×10-8Pa，材料為St12(參見表1所示)，滿足要求。座椅的位移量不大，座椅總成基本沒有位移。通過對座椅在承受相對于座椅H點373 N·m的載荷時的應(yīng)力和位移仿真分析，可以看到該鎂合金汽車座椅強度完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，并留有余量。加載該載荷時，頭枕的位移量為46 mm，在102 mm的范圍內(nèi)。

圖11 彎矩應(yīng)力局部圖

4 結(jié)束語

本研究根據(jù)人體壓力分布對汽車座椅骨架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，同時考慮材料加工工藝對座椅進(jìn)行模型修改，從而得到符合制造工藝要求的汽車座椅骨架結(jié)構(gòu)。通過對汽車座椅輕量化設(shè)計，優(yōu)化后的汽車座椅骨架比優(yōu)化前的座椅減重20%，優(yōu)化后的座椅骨架也滿足座椅的靜力學(xué)要求，從而驗證了拓?fù)鋬?yōu)化用于汽車座椅的可行性，同時得到了新的座椅骨架。

后續(xù)研究中，筆者將對座椅整體骨架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，同時增加動力學(xué)分析，以期更真實地反映實際工作狀態(tài)。

［1］馬鳴圖，易紅亮，路洪洲，等.論汽車輕量化［J］.中國工程科學(xué)，2009，11(9):20-27.

［2］廖 君，杜里平，王馮良，等.基于OptiStruct的電動轎車副車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.機電工程，2008，25(5):42-45.

［3］HARZHEIM L，GRAF G.A review of optimization of cast parts using topology optimization(II-Topology optimization with manufacturing constraints)［J］.Structural and Multidiscipline Optimization，2006，31(5):388-399.

［4］聶 昕，黃鵬沖，陳 濤，等.基于耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化的汽車關(guān)鍵安全件設(shè)計［J］.中國機械工程，2013，24(23):3260-3265.

［5］宋小龍，安繼儒.金屬材料手冊［M］.2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［6］林丹益，李 芳.基于ANSYS的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化［J］.機電工程，2012，29(8):898-902.

［7］吳亞明.其于ANSYS的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［J］.機電工程技術(shù)，2013(8):50-53.

［8］王金華.鑄造結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.2版.北京:機械工業(yè)出版社，1983.

［9］WANG Shu-fen，HU Wen-wen，GAO Zhen-hai，et al.The Application of Magnesium Alloy in Automotive Seat Design［J］.Advanced Materials and Processes ⅲ，2013，(395-396):266-270.

［10］全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB15083-2006，中國標(biāo)準(zhǔn)書號［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［11］汪 泉，梁凌紅，安宗裕，等.汽車有限元建模及其電磁兼容預(yù)測的多軟件聯(lián)合仿真［J］.重慶大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2013，36(2):7-11.