客车座椅轻量化的CAE优化分析

钱志刚

摘 要：随着汽车行业以轻量化的方向进行发展，座椅在新开发与VAVE过程中，需按GB 13057—2003《客车座椅及其车辆固定件的强度》与GB 14167—2013《汽车安全带安装固定点、ISOFIX 固定点及上固定点系统》及GB11550—2009《汽车座椅头枕性能要求和试验方法》的法规进行座椅动态测试，介于动态检测验证费用，且存在较多的不确定性，就必须在开发过程中对座椅进行CAE安全帶固定点强度与静态分析，对照在厂内实验室的电脑伺服控制头枕冲击试验机与电脑伺服六轴座椅强度试验机对汽车座椅安全带固定点强度、座椅总成强度以及座椅靠背后部吸能试验，对应座椅的相应部分的刚度与柔度，以达到汽车座椅强度与吸能性要求，通过静态物性实验与CAE对照进行映证，再通过第3方动态实验的对参数与静态实验形成透视表，对CAE进行佐证，以确保动态测试的一次性通过率，提升开发与VAVE的周期并降低成本。

关键词：汽车座椅；CAE；拓扑优化；材料轻量化

中图分类号：TP391 文献标志码：A

1 客车座椅轻量化CAE理念

CAE（Computer Alded Englneering）计算机辅助工程，分析运用有限单元法、弹性力学、材料力学、数值计算法运用计算进行模拟，分析类型有十大类：①线性静态分析；②非线性分析；③动力学分析；④屈曲分析；⑤热分析；⑥疲劳分析；⑦优化分析；⑧流体分析；⑨碰撞分析；⑩NVH分析。

标准的CAE有限元分析流程：首先运用Hypermesh建模进行前处理，导入CATIA数模；在样品、样车前模拟零部件甚至整椅性能和工作状况避免传统的（设计—试制—测试—改进设计—再试制）重复过程，减少时间上的浪费，缩短了开发周期，减少人力、物力各财力的消耗而降低开发成本，改变为（设想优化—设计—CAE虚拟试验—建立—试验—产生利润）。

（1）基于静力学理论和有限元理论，分析了3种常见工况下原汽车座椅的力学性能，并对汽车座椅的座骨架与靠背总成进行拓扑优化，根据优化结果重新设计内板与管结构以满足分析工况的需求，但轻量化效果有限，仅降低重量3.6 %。

（2）为了满足企业轻量化的设计目标，针对拓扑优化后的汽车座椅的座骨架与靠背总成，选择了高强度钢（座靠支架）、铝合金（座与靠骨架、滑轨、脚踏）以及碳纤维复合材料作为轻量化材料，设定了3种不同方案对汽车座椅进行材料轻量化设计，通过CAE对比分析材料轻量化后汽车座椅的综合力学性能，最终确定采用高强度钢的汽车座椅适合公司需要，且其轻量化效果达到了11.6%；在汽车轻量化设计运用中，镁铝合金、塑料、高强钢、碳纤维、复合材料等广泛采用轻量化材料（见表1）。

2 汽车座椅CAE拓扑优化和分析流程

在汽车座椅APQP产品先期策划过程中，设计人员对新开发的汽车座椅首先依据物性实验要求进行CAE静态分析与DV（设计）验证，后续协同质量管理部对汽车座椅CC≻的特殊特性清单中关键与重要的特性进行标解，形成特性矩阵图并制定出试验规划（D表），在小批量后，量产前进行PV（量产）验证。

结构拓扑优化的基本概念：通过进化法与退化法对需VAVE优化的拓扑优化求解问题转化为求解优化区域内材料的最佳分布，使相应分件 “优胜劣汰、适者生存”的选择理念以获得最优化结果，退化法即传统的优化方法，是通过CAE分析找到材料共性与临界点的最佳分布状态且能满足产品物性与力学及耐久的性能要求；②现代拓扑优化设计方法中基本上都要用到有限元方法，在连续体拓扑优化过程中，是通过有限元法将优化区域内的材料离散为有限个体单元或壳单元，然后通过连续的优化求解，获得最终的优化结果。

在实际的工程设计中结构拓扑优化主要包含以下4种方法：（1）基结构法；（2）均匀化方法；（3）变厚度法；（4）变密度法；进行拓扑优化设计时要明确描述出性能指标、产品特性、设计变量、优化区域等参数，并进行VAVE计算得到最佳优化结果。

3 CAE汽车座椅安全带固定点强度、座椅总成强度分析

3.1 关于汽车座椅安全带（三点式）固定点测试

①M1类在肩模模拟上人体模块，加载13500N±200N的试验载荷；对N2和M2类的车辆，试验加载力值为6750N±200N；而N3和M3车辆，试验加载为4500N±200N；②对M1类腰模，下人体模块加载13500N±200N的试验力值；车辆类别为N2和M2类，试验加载载设为6750 N±200 N；同理车辆N3和M3类，试验加载为4500 N±200N。

3.2 关于网点式安全带固定点

①对M1类腰模下人体模块施加22250N±200N的试验加载；车辆类别为N2和M2类，试验模块加载应为11100N±200N；同理车辆N3和M3类，试验加载为7400N±200N；以J100三点式安全带双人椅人例，三点式安全带静态试验： 座椅总成质量：27.6 kg，座椅加载负荷：182.2 kgf，上人体模块加载负荷：459.2 kgf，下人体模块加载负荷：550.3 kgf力值达1.3倍，且位移不过汽车座椅设计 H点10°角为测试合格。

3.3 静态试验

①乘客未受严重伤害，向每个乘坐位置的试验座椅后部，分别向前加载（1000/H1±50）N和（2000/H2±100）N的载荷，上部模板施力中心点的最大位移≥100mm且<400mm，下部模板施力中心点的最大位移≥50mm。（H1=0.70m～0.80m，H2=0.45m～0.55m）；②座椅及其安装足够牢固，符合下列条件，可认为满足要求：①试验整体过程中，座椅上的零件、安装件及附件未出现完全分离；②试验整体过程中，即使一个或多个固定件部分地分离，座椅仍能牢牢地固定住，且所有锁止系统保持锁死；③试验结束后，座椅上的零件、安装件和附件等结构件无任何可能导致人体伤害的尖角、锐角或断裂；以J100三点式安全带双人椅为例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

头型以24.1km/h的速度向座椅靠背后部撞击，加给头型的减速度，连续超过80g的时间不得超过3ms，以J100三点式安全带双人椅为例最大加速度25.6g，超过80g的持续作用时间为0ms。同时没有危险的边棱出现，符合标准要求。

汽车的轻量化就是在保证其刚度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，以达到降低能耗的目的，而汽车座椅作为汽车整备质量的主要覆盖件之一，对汽车整备质量的轻量化起着举足轻重的决定作用。

参考文献

[1]刘晓刚.转向架中心销有限元分析及拓扑优化[D].沈阳：东北大学，2009.

[2]谭卫锋.某客车座椅静态与动态试验数值模拟及试验验证研究[D].厦门：厦门理工学院，2015.

[3]洪伟鹏.某轿车发动机罩材料/结构一体化轻量化方法研究[D].厦门：厦门理工学院，2016.