李啟定，黃政平，盧磊，譚純

(廣州廣汽優(yōu)利得汽車內(nèi)飾系統(tǒng)研發(fā)有限公司，廣東廣州 510800)

0 引言

汽車行業(yè)作為制造業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，飛速發(fā)展。汽車零部件對(duì)產(chǎn)品的性能要求也愈發(fā)嚴(yán)苛，輕量化設(shè)計(jì)是各大汽車廠商追求的方向。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面，汽車座椅在安全約束系統(tǒng)中占據(jù)不可忽視的地位，并承擔(dān)保護(hù)乘員安全的重要責(zé)任，拓?fù)鋬?yōu)化是該領(lǐng)域最具有生命力的新興研究方向[1-2]。利用優(yōu)化軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化能先導(dǎo)設(shè)計(jì)，定義設(shè)計(jì)方向，提高設(shè)計(jì)效率。文中基于OptiStruct優(yōu)化軟件，對(duì)汽車后排座椅6分背在安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)的工況下，同時(shí)進(jìn)行管架結(jié)構(gòu)形式的拓?fù)渑c圓管截面參數(shù)的優(yōu)化。

1 后排座椅靠背管架結(jié)構(gòu)拓?fù)渑c參數(shù)優(yōu)化的研究

1.1 后排座椅靠背結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)受力的特點(diǎn)

后排座椅6分背結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以概括為兩點(diǎn)：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(jié)構(gòu)；其次，骨架外框結(jié)構(gòu)形式較為固定。

文中主要是基于安全帶固定點(diǎn)的工況進(jìn)行座椅后排6分背的優(yōu)化，從試驗(yàn)變形結(jié)果(如圖1所示)分析來看，管架結(jié)構(gòu)主要變形模式為彎曲變形。

圖1 試驗(yàn)變形結(jié)果圖

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

圖2 受力分析圖

1.2 優(yōu)化模型理論依據(jù)

在OptiStruct拓?fù)鋬?yōu)化基礎(chǔ)模型中，主要有片體單元優(yōu)化及實(shí)體單元優(yōu)化兩種形式。綜合上面的分析，使用實(shí)體模型分析時(shí)，其框架結(jié)構(gòu)截面為矩形，而實(shí)際模型截面形狀為圓環(huán)型，在此，必須進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)換才能保證有效的優(yōu)化。

結(jié)合試驗(yàn)變形與受力分析，基于彎曲變形等效，可以將實(shí)體與空心管進(jìn)行等效轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為OptiStruct實(shí)體優(yōu)化模型的理論依據(jù)為抗彎模量相等(彎矩等效)。

1.3 骨架結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)轉(zhuǎn)換

矩形實(shí)體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，其抗彎模量計(jì)算如下式：

圖3 矩形實(shí)體

空心圓管結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，其抗彎模量計(jì)算如下式：

圖4 空心圓管

1.4 優(yōu)化模型有效性驗(yàn)證

表1 彎矩等效轉(zhuǎn)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(jié)果。

圖5 原始模型

圖6 原始模型結(jié)果

圖7所示為優(yōu)化模型(矩形截面)，圖8所示為優(yōu)化模型結(jié)果。

圖7 優(yōu)化模型(等效模型)

圖8 優(yōu)化模型結(jié)果

原始模型和優(yōu)化模型通過彎矩等效理論進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，其有效率如表2所示。

表2 原始模型和彎矩轉(zhuǎn)換模型間的有效率

2 案例應(yīng)用

通過上面彎矩等效轉(zhuǎn)換得到等效模型，其設(shè)計(jì)區(qū)域可設(shè)為無非設(shè)計(jì)區(qū)域、有非設(shè)計(jì)區(qū)域兩種。具體如圖9—圖10所示。

在設(shè)計(jì)區(qū)域設(shè)置優(yōu)化響應(yīng)，包括位移響應(yīng)、體積分?jǐn)?shù)響應(yīng)及柔度響應(yīng)。具體響應(yīng)及約束方案設(shè)置如表3所示。

表3 設(shè)計(jì)區(qū)域約束方案

經(jīng)國(guó)標(biāo)查詢得到能使用的管徑大小規(guī)格，定義3種管徑規(guī)格的方案如表4所示，之后進(jìn)行仿真得出仿真結(jié)果。

表4 彎矩等效參數(shù)優(yōu)化方案 mm

依照表4的方案定義優(yōu)化模型外框尺寸，并以表3為各個(gè)方案的約束條件，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算得出各個(gè)方案的最佳傳力路徑及受力形式的結(jié)果，如表5所示。

從表5可以看出各個(gè)方案的具體傳力路徑，并得出以下幾個(gè)結(jié)論：首先，從無非設(shè)計(jì)區(qū)域結(jié)果來看，固定的外框結(jié)構(gòu)不是最佳傳力路徑；其次，從有非設(shè)計(jì)區(qū)域結(jié)果來看，主要的受力部位為左側(cè)與上下外框；最后，如果在外框結(jié)構(gòu)不能更改的情況下，在左側(cè)增加豎向的管件結(jié)構(gòu)可以有效提高剛度。

表5 優(yōu)化結(jié)果匯總

2.1 優(yōu)化方案制定

依據(jù)表5的方案結(jié)果，參考最優(yōu)傳力路徑，分別對(duì)原始模型的管徑規(guī)格及管徑厚度進(jìn)行優(yōu)化，各方案匯總?cè)绫?所示。

表6 優(yōu)化方案匯總

2.2 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

依據(jù)表6方案匯總，分別進(jìn)行安全帶固定點(diǎn)(靜態(tài))仿真及行李箱沖擊(動(dòng)態(tài))仿真，具體如表7—表8及圖11—圖12所示，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行匯總?cè)绫?—表10所示。

表7 安全帶固定點(diǎn)優(yōu)化結(jié)果

表8 行李箱沖擊仿真結(jié)果

圖11 安全帶固定點(diǎn)位移圖

圖12 行李箱沖擊位移圖

表9 安全帶固定點(diǎn)結(jié)果匯總

表10 行李箱沖擊仿真結(jié)果匯總

通過結(jié)果對(duì)比可以看出：經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化得到的結(jié)果來制定優(yōu)化方案，其效果都有所提升，其中方案一和方案二通過對(duì)材料的重新分布，主要體現(xiàn)在性能的提高，方案二在剛度改善上達(dá)47%。方案三以拓?fù)浣Y(jié)果為依據(jù)通過結(jié)構(gòu)形式的改變和管徑的改變，使整體輕量化，質(zhì)量下降7.2%，同時(shí)剛度都有一定的提高。

3 結(jié)論

基于OptiStruct進(jìn)行拓?fù)渑c參數(shù)優(yōu)化，能有效實(shí)現(xiàn)輕量化、高性能的設(shè)計(jì)，降低成本、提升產(chǎn)品性能，通過對(duì)優(yōu)化結(jié)果的解讀，能直接有效地提供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的尺寸、結(jié)構(gòu)、位置等幾何參數(shù)，定義設(shè)計(jì)方向，提高設(shè)計(jì)效率。基于彎矩等效轉(zhuǎn)換的力學(xué)依據(jù)可靠有效，能將管架結(jié)構(gòu)有效地轉(zhuǎn)化為優(yōu)化基礎(chǔ)模型。