宋增峰，赵晓昱
（上海工程技术大学汽车工程学院，上海201620）
来稿日期：2019-12-30
基金项目：上海工程技术大学研究生创新项目（E3-0903-17-01096）作者简介：宋增峰，（1993-），男，山东临沂人，硕士研究生，主要研究方向：汽车轻量化设计；
赵晓昱，（1968-），女，福建人，博士研究生，副教授，主要研究方向：汽车轻量化设计及碰撞安全性研究
1引言
汽车轻量化技术对降低燃油消耗、提升新能源汽车续航里
程起到巨大作用。资料表明，每减少10%的汽车自重，可减少5%的油耗，甚至可减少到20%的燃油消耗[1]。当前，采用轻质材料替换金属材料已经成为轻量化的主流设计方法，在众多轻质材料中，碳纤维增强复合材料（CFRP ）[2]
轿车油耗由于具有高比强度、高比模量的特点，加上其优良的可设计性，在轻量化领域应用越来越多。而现代轿车的座椅是由坐垫、靠背、靠枕、骨架、悬挂和调节机构等组成[3]
，其骨架部分一般都是由金属材料制成，重量大且舒适性较低。所以，利用复合材料代替传统金属材料，减轻座椅的重量并提高其舒适性就显得意义重大。
最近几年，企业推出了碳纤维与工程塑料混合设计的轻量化汽车座椅靠背“CAMISMA ”，此靠背骨架不仅可使座椅保持与以
往座椅相同的强度，同时还可以减轻约40%重量；国内学者研究了碳纤维材料替换汽车后排金属座椅骨架的方案，根据碳纤维层合板铺层设计原则，建立了碳纤维（CFRP ）座椅骨架模型，利用有限元软件模拟行李箱碰撞，与原金属座椅骨架试验数据进行对比，从最后结果对比中可以看出，CFRP 材料的座椅骨架强度高于金属座椅，而且其质量减轻了约40%[4]；采用长纤维复合材料（LFT ）替换金属，采用拓扑优化方法分析座椅骨架的重点设计区域和传力路径，得到了长纤维复合材料的座椅骨架新结构[5]；国外学者研究考虑了由形状记忆复合面板形成的复合夹芯板结构和由形状记忆树脂产生的刚性泡沫芯设计形状记忆复合跑车式座椅的方案，测量和讨论所需的力和总变形量[6]；开发了由X 型钢框架加固的聚合物基复合材料（PMC ）制成的汽车座椅框架结构，以低成本降低重量，使用有限元分析（FEA ）设计分析框架结构，并与冲击试验进行比较，以验证制造后的结构安全性[7]。
摘要：为实现节能减排，顺应汽车轻量化发展趋势，基于复合材料层合结构设计理论，提出一种使用碳纤维增强复合材
料代替传统金属材料设计汽车座椅的方法。按照国家法规要求，利用HyperWork 数值仿真分析软件对汽车座椅在实际工况中的力学特性进行分析，并根据复合材料层合结构等刚度设计理论，对座椅骨架进行材料体系构建，并对结构进行模态分析。结果表明，复合材料汽车座椅骨架在满足法规要求的基础上减重34.5%，并且前六阶固有频率得到了明显的提高。
关键词：座椅轻量化；层合结构；HyperWork 数值仿真分析；等刚度设计中图分类号：TH16；U463.8；TB33
文献标识码：A
文章编号：1001-3997（2020）07-0084-05
Study on the Lightweight of a Car Composite Seat Skeleton
SONG Zeng-feng ，ZHAO Xiao-yu
（Automotive Engineering College ，Shanghai University of Engineering Science ，Shanghai 201620，China ）
粤遭泽贼则葬糟贼：To achieve energy-saving and emission reduction ，comply the trend of car lightweight ，this article based on the theory of composite laminated structure design ，proposing a method of using carbon fiber reinforced composite material replaces traditional metal material to design car seat.According to the national laws and regulations ，using HyperWork numerical simulation analysis method to analyze the mechanical properties of car seat in the actual operating conditions ，and follow the equal stiffness design theory of laminated composite structure ，to makes material structure of the seat frame and to do modal analysis of the seat structure.The results show that the composite model not only met regulator requirements but reduced quality by 34.5%，and the first six natural frequencies have been improved.
Key Words ：Seat Lightweight ；Laminated Structure ；HyperWork Numerical Simulation Analysis ；Equal Stiffness Design
Machinery Design &Manufacture
机械设计与制造
第7期2020年7月
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