作者：文 / 唐国强
来源：《时代汽车》 2018年第1期
摘要：本文以某款轻型客车汽车为例，在简要阐述拓扑优化概念与应用的基础上，重点探讨了汽车座椅骨架机构的拓扑优化，并通过优化前后静力学分析加以验证，结果显示，优化后的座椅骨架重量明显低于优化前，具有重要的现实应用价值。
关键词：汽车座椅；骨架结构：拓扑优化；结构设计
要想实现汽车轻量化，同时又要满足不断提高的产品安全要求，就要最大限度的进行结构优化，而座椅骨架结构的拓扑优化是不可忽略的重要手段，相比于材料材质提高，结构拓扑优化具有更强的经济性，所以在优化设计中生成新构型是实现汽车轻量化设计的必要条件，这也是本研究的根本出发点和落脚点。
1 拓扑优化概念与应用
所谓的结构拓扑优化，是在给定材料品质和设计域内，通过优化设计方法可得到满足约束条件又使目标函数最优的结构布局形式及构件尺寸，如图1图2。
拓扑优化技术主要是借助仿真分析、灵敏度计算、材料最优分布等多次迭代完成结构优化的技术手段，也就是说，当结构材料分布趋于饱和稳定时，迭代即终止可能，最终达到结构优化的目的，具体流程如图3所示。
目前，拓扑优化技术在汽车制造领域的应用，不仅有效避免了材料的盲目使用，有效降低了汽车研发成本，提高了汽车结构性能，而且有效缩短了汽车生产周期，全面提高了汽车生产效率。同时，拓扑优化技术为工程师开发结构最优化产品或汽车新构型提供了重要保障。当然，需要重点指出的是，因拓扑优化技术是以零件结构荷载力分布为依据，定向的提供最佳的材料分布方案，这样不仅有效提高了结构性能，而且强化了结构轻量化效果，可以说，是汽车座椅骨架结构优化设计中首选的优化技术。
2汽车座椅骨架结构的拓扑优化
2.1结构简化
本文的研究对象采用的是发动机后置布局，车身结构属于典型的非承载式结构。车身地板是高低板结构，座位安排也是常见的“16+1+1”形式，两边后方轮毂位置也属于座椅布局的构成，最后排的座位为四人座，其余左右两侧都是典型的双人+单人座位，左右设有5行16个座位，再加上司机和导游两个单独座位，整车共计18个座位。为获取更加精准的座椅应力分布参数，笔者采用壳单元对车身骨架进行模拟，并在进行网格划分前，对整个座椅结构，或者说是车身结构进行了简化设计，具体如下：
(l)去除前保险杠、后保险杠、车窗玻璃架子、踏板框架等许多非承载构件；
(2)因为汽车座椅海绵面套的承载要远远小于承载的骨架，所以将其排除在计算模型框架之内；
(3)将双人座椅背板骨架结构简化成长度为570mm，宽度为800mm的长方形平板，座椅背板顶部的靠背锁部分简化为形状尺寸为133mm×105mm×33mm的长方形结构；
(4)将相邻的交叉但不叠合的两个节点进行简化处理，将其视为一个“叠合交叉”节点。此外，在初始的有限元模型中，所有的螺栓、铰链等连接方式也都进行简化处理，统一为1D焊点连接。
2.2网格划分
为了增强有限元模型的可视性和整体性，也为了提高管理便捷度，在进行网格划分时，笔者将整个骨架结构分成了六部分，包括前、后、左、右、车顶和底盘，并以模块化结构进行集成装配，具体优化设计如下：
(1)拓展不同关节面交点之间所形成的几何拓扑结构，确保网格相互间的持续性，同时实现共享邻近关节结合模型边线的共享性；部分框架焊接接头表面边缘处于错位状态，为确保网格划分精准性，必须要对这些部分进行重新分割，以拓展几何拓扑关系；消除各部件的尖角部分，以确保网格高质量。
(2)在网络类型和尺寸的选择上，因车身基本采用的是40mm×40mm的Q235矩形钢管骨架，所以选择整体网格单元类型和尺寸，再加上环境因素的影响，最终将尺寸定为20mm，以确保网格的足够精准。当然，针对部分复杂的几何拓扑关系，笔者灵活采用单位合并、分割处理等手段，对网格节点位置和规模进行及时调整，有效确保了网格精准度和高质量。
(3)将体积分数响应定义为设计约束，将约束上限设置为0.3，即座椅骨架上的可设计区域的体积上限为原体积的30%，以此作为拓扑优化的约束条件。
2.3静力和模态分析
2.3.1原座椅骨架静力学分析
(1)静力分析。在实施荷载和约束正确的前提下，对原车座椅骨架进行有限元静力计算，结果显示骨架位移最大值出现位置是空调安装部位，计算结果是6.715mm。最大应力出现位置是底部框架约束部位，计算结果是185mpa，以充分满足骨架材料的应力需求。此外，最后排座椅应力集中于框架底部也是非常明显的。
(2)模态分析。通过对原始座椅骨架自由模态下模态值得计算，获取真实的模态频率和振动模式值。考虑到车辆振动，为避免出现车辆低阶共振的问题，最好将振动模式值控制在3-25hz范围内。此外，为避免出现第一弯曲模式耦合效应的扭转模式，模态频率通常两种以上模态交错所产生的振动值要达到3hz以上。通过计算可知，前面步骤的车身骨架固有频率在合理范围内，存在较为明显的振动特征。
2.3.2优化后座椅骨架静力学分析
(1)静力分析。在实施荷载和约束正确的前提下，对两个优化座椅骨架结构模型进行有限元静力计算，结果显示骨架位移最大值出现位置是空调安装部位，计算结果是9.285mm。最大应力出现位置是底部框架约束部位，计算结果是185mpa，充分满足了骨架材料的应力需求。此外，最后排座椅应力集中于框架底部也是非常明显的。
(2)模态分析。经过优化座椅骨架结构模型的七阶模态值的计算，获得了真实的振动频率和振动模式值。计算结果显示，在所要求的频率范围内，汽车骨架结构在发动机和路面激励作用下，表现出了良好
的共振特征。
3结果对比
3.1 静力学对比
经过对比观察发现，汽车座椅骨架优化前后的低阶频率的固有频率没有发生太大变化，也就是说，对于整车的动态性能，优化设计并没有对动力性能造成负面影响，结构变化可忽略不计；而通过优化前后精力分析结果的对比发现，优化后骨架结构的静力与优化前是相同的，也就是说，优化后的骨架结构并没有影响到原车的静态刚度和结构强度，基本保持原有的静态力学性能。
汽车座位调整 3.2质量对比
通过具体的质量数据对比发现，整车横向质量下降了20kg，座椅骨架质量下降了30kg，在原料的质量上限中整车骨架质量下降了50kg，具体如表1所示。所以，座椅骨架优化设计方案是可行的，一定程度地提高了材料利用率，降低了座椅生产成本。
参考文献：
[1]张东民，刘铭心，盛育东，吴子恒，祝世伟，周伦利．汽车座椅外侧板单动拉延成形工艺分析及优化[J/OL]．锻压技术，2017(06)61-65．
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