孫浩　柳存昭　種剛　劉金龍　馬伊賢

摘 要：文章以某商用車座椅固定結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，以滿足座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度為目標(biāo)，運(yùn)用集成式設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化。有限元模型分析結(jié)果表明，輕量化后的地板結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，并使白車身重量降低4.4kg，減重11.1%，輕量化效果顯著。關(guān)鍵詞：商用車;集成式;輕量化;有限元中圖分類號(hào)：U463.83+6? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）01-80-03

Abstract： In this paper， the seat fixed structure of a commercial vehicle is taken as the research object， and the integrated design method is used to lighten the structure in order to meet the strength of the fixed point of the seat belt. The results of finite element model analysis show that the lightweight floor structure meets the strength requirements and reduces the weight of the mortar body by 4.4kg， the weight loss is 11.1%， and the lightweight effect is remarkable.Keywords： Commercial vehicle; Integrated design; Lightweight; Finite elementCLC NO.： U463.83+6 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）01-80-03

前言

燃油經(jīng)濟(jì)性是重卡用戶最關(guān)心的問題，用戶為了追求效益最大化，就要依靠提高運(yùn)輸效率實(shí)現(xiàn)盈利，做到低耗、快跑。近年來，國(guó)內(nèi)重卡企業(yè)對(duì)輕量化車型的開發(fā)愈加重視，為了提高市場(chǎng)份額，輕量化重卡成為各家車企的制勝法寶，重卡輕量化研發(fā)將愈演愈烈。實(shí)現(xiàn)車身輕量化的方法很多，在此不作贅述。本文以某商用車座椅固定結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，應(yīng)用集成式設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)滿足性能目標(biāo)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，力學(xué)原理和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)作為工作前提，結(jié)合結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)實(shí)際情況和一定條件下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在重量和性能之間尋找平衡，實(shí)現(xiàn)安全性和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性的結(jié)構(gòu)形式。

1 座椅固定結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

1.1 座椅固定結(jié)構(gòu)形式

主、副駕座椅通過座椅前安裝與前地板形成連接，固定點(diǎn)處鈑金為兩層連接結(jié)構(gòu)，在前縱梁連接板和第一橫梁連接板的加強(qiáng)作用下，與前縱梁形成傳力機(jī)構(gòu)，圖1為模型圖示。

1.2 約束、加載及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)圖1三維結(jié)構(gòu)建立有限元模型，在地板四周位置進(jìn)行全約束，分別對(duì)左、右兩側(cè)座椅人體上、下模塊各施加與水平方向成10°角4500N集中載荷，對(duì)左側(cè)座椅施加-X方向2750N載荷，對(duì)右側(cè)座椅施加-X方向1650N載荷，為保守計(jì)算，載荷均放大1.2倍。載荷加載高度按法規(guī)要求為座椅質(zhì)心高度。約束及加載有限元模型如圖2所示。

分析評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求在加載和保持階段，座椅及安全帶固定點(diǎn)結(jié)構(gòu)無失效，當(dāng)安全帶上固定點(diǎn)在座椅靠背上時(shí)，上有效固定點(diǎn)的前向位移不應(yīng)超過R點(diǎn)平面前傾10°的范圍。

1.3 有限元分析結(jié)果

分析計(jì)算座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度，主要關(guān)注座椅的前傾量及沖壓件的塑性應(yīng)變值。

由于座椅結(jié)構(gòu)不同，主駕座椅為空氣彈簧座椅，副駕座椅為可翻轉(zhuǎn)式座椅，導(dǎo)致變形量存在很大差異。從圖3可以看出，主駕座椅上底座向前傾斜1.7°，地板無明顯變形，副駕座椅存在前傾變形，前端安裝點(diǎn)受壓后端受拉，座椅上底座向前傾斜7.9°，滿足標(biāo)準(zhǔn)。

地板結(jié)構(gòu)整體應(yīng)變較小，低于材料極限塑性應(yīng)變，判斷無失效，具體塑性應(yīng)變值見表2。

2 座椅固定結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 集成式座椅固定結(jié)構(gòu)形式

目前結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，并且存在冗余，為了進(jìn)一步減輕設(shè)計(jì)質(zhì)量，優(yōu)化制造工藝，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)施集成式輕量化設(shè)計(jì)，即把一些多個(gè)零件完成的功能集成到一個(gè)零件上，以達(dá)到減重的目的，通過整合零件功能、將多個(gè)零部件集成，實(shí)現(xiàn)零部件的多功能，減少零件數(shù)量，達(dá)到輕量化的目的。

圖5為集成式設(shè)計(jì)后的座椅固定結(jié)構(gòu)：座椅安裝點(diǎn)集成到前縱梁連接板和地板第一橫梁連接板上，固定點(diǎn)處鈑金與前縱梁、前地板形成三層板焊接結(jié)構(gòu)，座椅安裝螺栓打緊后，連接強(qiáng)度進(jìn)一度提升，綜合分析，固定點(diǎn)強(qiáng)度已得到提升，前地板料厚降低到0.9，材料不變，同時(shí)取消座椅前安裝板。

2.2 有限元分析結(jié)果

參照1.2約束、加載及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析計(jì)算座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度，主要關(guān)注座椅的前傾量及沖壓件的塑性應(yīng)變值。

從圖6可以看出，主駕座椅上底座向前傾斜1.8°，地板無明顯變形，副駕座椅存在前傾變形，前端安裝點(diǎn)受壓后端受拉，座椅上底座向前傾斜了7.3°，滿足標(biāo)準(zhǔn)。

地板結(jié)構(gòu)整體應(yīng)變較小，低于材料極限塑性應(yīng)變，判斷無失效，具體塑性應(yīng)變值見表3。

3 結(jié)果校核

比較有限元分析結(jié)果，優(yōu)化前后主駕座椅前傾角度無明顯變化，副駕座椅前傾角度從7.8°減小到7.3°，性能得到提升;從表4可以看出，地板各零件塑性應(yīng)變值雖均有所增大，

但仍處于安全許用范圍，說明零件受力得到分散，結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化;優(yōu)化后的座椅固定結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少4.4kg，降幅達(dá)11.1%，減重效果顯著。

4 結(jié)論

通過集成式輕量化設(shè)計(jì)，結(jié)合有限元仿真分析技術(shù)，白車身座椅固定結(jié)構(gòu)重量降低，同時(shí)副駕座椅固定結(jié)構(gòu)前傾角度明顯改善，地板各零件塑性應(yīng)變處于合理范圍內(nèi)，零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化合理。本文以白車身座椅固定結(jié)構(gòu)為例應(yīng)用集成式輕量化設(shè)計(jì)方法，不僅顯著減輕車身重量，還能夠減少?zèng)_壓模具、焊接夾具的前期投入，減輕員工勞動(dòng)強(qiáng)度，提升生產(chǎn)節(jié)拍。通過以上內(nèi)容分析，汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，應(yīng)從最基本的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，這對(duì)于提升我國(guó)卡車行業(yè)研發(fā)人員基本能力，促進(jìn)國(guó)內(nèi)商用汽車行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，并且在即將面臨的經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)下，對(duì)汽車行業(yè)發(fā)展的研究和新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的探討更加刻不容緩。

參考文獻(xiàn)

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