0905汽车座椅骨架结构的改善
汽车座椅骨架强度分析及结构优化
Internal Combustion Engine &Parts0引言中国汽车工业发展迅速，产销量不断增加。
中国汽车工业协会报告指出，2017年全球汽车销售总量突破9000万辆，中国占了总销量的四分之一[1]。
座椅作为汽车的重要零配件，为司乘人员提供便于操作、舒适安全的驾驶和乘坐位置。
对部分轿车来说，座椅比变速箱、底盘和车身都要昂贵[2-4]。
汽车座椅的设计与整车的设计密切相关[5]。
座椅的强度主要由骨架提供，从安全角度考虑，骨架必须具有足够的强度，但若强度过高，会造成不必要的成本浪费[6]。
在现代座椅骨架设计中，传统的材料力学计算方法和现代CAE 分析方法，均能较精确的计算出座椅的实际强度，从而使座椅设计更合理和经济[7]。
本文对某型汽车单边角调式驾驶员座椅骨架进行设计，用有限元方法分析座椅骨架及零部件受力和运动情况，根据分析结果对骨架设计和零部件布局进行优化，以满足国家标准强度要求并具较好经济性。
1座椅骨架设计1.1靠背骨架设计靠背骨架的作用是将乘客的身体约束在固定位置，在汽车转弯时通过靠背两侧限制乘客左右晃动，碰撞时保护住乘客上身。
作为座椅总成的一个关键零件，性能直接影响座椅总成强度、刚度、稳定性。
常用的有管框式、管钣复合式、全钣金式骨架，本设计中座椅对强度没有特殊要求，选用易制度、成本低的管框式靠背骨架。
骨架选用材料见表1。
在CATIA 环境下建立三维实体模型，对靠背钢管进行简单工况下的CAE 分析。
分析后得到应力图1和位移图2，图中偏红色区域代表应力较大或位移较大。
靠背钢管最大位移在上端，为14.753mm 。
靠背骨架上端整体位移较大，且下端应力较大受力状态不理想。
故将______________________________基金项目:湖南省自然科学基金（2018JJ4059）。
作者简介:曾华（1995-），男，湖南常德人，硕士研究生，主要研究方向为机械产品力学性能的数值分析方法；刘静（1995-），女，江苏南通人，硕士研究生，主要研究方向为机械产品力学性能的数值分析方法。
汽车后座椅骨架行李冲击分析与结构优化
汽车后座椅骨架行李冲击分析与结构优化明宇【摘要】为减少交通事故中行李块冲击引起的后排乘员伤亡,设计安全可靠的后排座椅骨架结构,使之通过ECE R17法规标准是当前后排座椅设计的基本要求.以某汽车后排座椅骨架为研究对象,建立其精确的CAD模型,按照ECE R17法规要求,运用非线性有限元方法对其进行仿真研究.计算结果表明座椅骨架及固定安装支架存在两个问题:(1)该分体式座椅骨架吸能和抗变形能力严重不足;(2)座椅骨架固定点连接支架不够牢固,在冲击工况下易脱落.根据试验及仿真结果,提出改变该分体式座椅骨架为整体式座椅骨架,提高座椅骨架的整体刚度,增强抗变形能力;中部安装支架采用整体式结构,其余安装支架结构不变,厚度增加0.5 mm.通过对改进方案进行分析验证,表明改进后方案抗变形能力优于分体式结构,满足法规要求.【期刊名称】《汽车零部件》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】4页(P12-15)【关键词】后排座椅;行李冲击;碰撞安全;仿真分析【作者】明宇【作者单位】奇瑞汽车股份有限公司汽车工程研发总院预研与基础技术研究院,安徽芜湖241009【正文语种】中文【中图分类】U463.83+6在交通事故中，汽车后排座椅将会受到行李块的巨大冲击载荷，座椅骨架结构往往产生变形甚至断裂，增加后排乘员的伤亡事故。
因此后排座椅作为降低乘员损伤的安全部件，首先要能够保证车辆在碰撞时后排乘员具有一定的生存空间，防止其他车载体(如行李等)进入到生存空间，且能确保乘员在碰撞事故发生时保持一定姿态，防止后排乘员向前排发生二次撞击。
因此ECE R17法规明确规定后排座椅的行李冲击强度的要求，导致了用传统方法设计开发的座椅质量和成本的增加。
关于汽车座椅的安全性，当前的研究方向主要有碰撞过程中座椅系统对乘员承受能量的分散作用、新型材料和新加工成型技术的应用对座椅性能的影响，以及质量、成本的节约问题等[1-3]。
文中以某汽车后排座椅为研究对象，建立该座椅骨架的精确三维CAD模型，按照ECE R17法规要求，进行非线性有限元分析，依据分析结果给出改进方案，并对改进方案进行分析验证，表明改进方案满足法规要求。
汽车座椅轻量化结构设计与优化
汽车座椅轻量化结构设计与优化摘要：随着汽车总保有量的不断增加，汽车与能源、环保之间的矛盾己成为制约汽车产业可持续发展的突出问题。
面对低碳时代的到来和节能减排的巨大压力，汽车轻量化是解决这一问题最有效、最现实的途径之一。
从而推动了新材料新工艺在汽车工业中的应用和发展。
其中，尤为引人注目的是铝合金在汽车轻量化中的应用和发展。
本文从座椅骨架材质轻量化、结构优化设计及成形工艺分析等方面入手对汽车座椅进行了轻量化设计研究。
关键词：汽车座椅；轻型化；结构设计；铝合金；低压铸造随着汽车总保有量和新增量的不断增加，汽车耗油量及汽车二氧化碳、有害气体及颗粒的排放量也在快速增加。
在能源日益紧缺，环境同益恶化的今天，这种矛盾己成为制约汽车产业可持续发展的突出问题。
面对能源危机和低碳环保的巨大压力，解决这一矛盾最有效、最现实的方法之一，也是当今世界汽车工业发展的潮流，就是实现汽车的轻量化。
1.汽车轻量化概念汽车轻量化（Lightweight of Automobile）就是必须在保证汽车使用性能，如强度、刚度和安全性的前提下，降低汽车的重量，从而提高汽车的动力性能，燃油经济性，并且降低废气污染。
汽车轻量化并不只是简单地降低汽车重量，还包含了许多新理论、新材料、新工艺。
根据美国铝协会研究，若汽车整车重量降低10%，其燃油效率可提高6%～8%；汽车整车重量每减少100kg，其百公里油耗可降低O.3～0.6L，二氧化碳排放量可减少约59/km。
总的来说，实现汽车轻量化主要有2种途径：一是利用有限元方法，拓扑优化方法改进汽车整车结构及零部件结构，实现结构件材料分布最优化；二是利用各种轻量化材料，包括高强度钢板材料和轻质材料。
结构轻量化设计就是利用有限元法和现代优化设计方法进行结构分析和结构优化，以减轻汽车车身、各零部件如发动机、承载件件和内饰件的重量。
结构优化设计即在保证产品达到某些性能目标（如强度、刚度）并满足一定约束条件的前提下，改变某些设计变量，使结构的重量最轻，这不但节省了材料，也便于运输和安装。
座椅骨架强度分析及零部件设计优化
座椅骨架强度分析及零部件设计优化引言汽车座椅属于汽车的基本装置，是汽车的重要安全部件，其主要作用是为乘员提供支撑、确定乘员位置，提供乘员驾乘舒适性以及保护乘员不受伤害。
随着汽车行业竞争日趋激烈，如何在保证安全等级不降的前提下，对产品结构优化，进行成本控制是当前很多主机厂研究的重要课题之一。
座椅的安全性主要取决于骨架强度；座椅骨架是由靠背骨架和坐垫骨架及核心件三部分组成，并由安装支脚通过螺栓固定在车身横梁上；其中座椅的核心件一般包括角调器总成、高调器总成和滑轨总成等，这些核心件一般是由专业厂家设计制造，产品质量一致性和通用性较高。
座椅靠背骨架总成是一般是由钢管框架、左右角调器总成（角调上下连接板和角调器核心件）、侧面支撑钢丝以及靠背弹簧等组成，如图1所示。
中高端车型一般采用冲压件框架替代钢管框架结构。
当前市场上A0级以下的车型成本压力巨大，经市场调查62款A0级以下车型低配前座椅骨架，其中单边角调骨架43款，约占70%；可见单边角调座椅骨架是A0级以下车型主流配置。
图1本文以某单边角调式座椅靠背骨架为例，用有限元方法分析座椅骨架及零部件受力情况，并与试验结果对比；参照有限元分析与试验结果对比，对零部件进行设计优化，以满足设计要求。
1、有限元分析工况与试验方法差异对比1.1 金属材料耐久性与静强度关系就钢材而言，当其承受正、负相等的交变应力时，其疲劳强度（材料承受的最大应力值）随材料可以承受的交变次数的增加而减小，如图2所示；当可以承受的交变次数达到107次以上时，疲劳强度就变成了一个固定值，称其为持久极限。
持久极限一般只有静强度的40%～50%，当应力低于持久极限时，材料具有无限寿命。
图2 金属材料S-N曲线图因此可以通过FEA，模拟静强度试验，考察骨架应力变化趋势是否与试验结果保持一致。
以此为依据，进而对结构进行优化，比对优化前后的分析结果，考量结构优化是否合理有效。
1.2 有限元分析工况与试验方法差异对比试验方法：将座椅按照设计位置固定在试验台架上，在座椅靠背顶端中间位置，沿垂直于假人躯干线方向，相对于“H”点施加指定的力矩，并加卸载循环指定次数。
基于拓扑优化的复合材料汽车座椅骨架设计
基于拓扑优化的复合材料汽车座椅骨架设计白煜;丁晓红【摘要】为满足汽车座椅轻量化和安全性的需求,综合采用轻量化材料和结构拓扑优化设计技术,提出了一种碳纤维复合材料乘用车座椅设计方法.新型座椅骨架由碳纤维层合板外壳和短切碳纤维加强筋两部分组成.首先,为提高座椅结构刚度和稳定性,利用结构拓扑优化技术在碳纤维层合板外壳区域内布置合理的加强筋,然后,通过优化碳纤维层合板外壳,提高结构整体刚度,降低骨架质量.结果表明,与参考钢制骨架相比,新型座椅骨架不仅整体刚度得到大幅提升,而且质量减少了30.72%,有显著的轻量化效果.%In order to meet the demand of lightweight and safety of the automotive seat,a design method for the carbon fiber composite material passenger car seat was proposed by using lightweight material and structural topology design optimization technology.The suggested new seat frame was composed of two parts,namely the carbon fiber laminate and short carbon fiber stiffener.In order to improve the stiffness and stability of the seat frame,the topology optimization method was used to arrange the layout of the stiffeners on the shell of carbon fiber laminate,and then the composite laminate optimization was implemented to improve the overall stiffness of the structure and reduce the weight of the frame.The results show that not only the overall stiffness of the new seat is raised,but also a significant reduction in weight about 30.72% is achieved.【期刊名称】《上海理工大学学报》【年(卷),期】2017(039)001【总页数】6页(P78-83)【关键词】汽车座椅;碳纤维复合材料;优化设计;轻量化【作者】白煜;丁晓红【作者单位】上海理工大学机械工程学院,上海 200093;上海理工大学机械工程学院,上海 200093【正文语种】中文【中图分类】TB33;U463.83+6目前温室效应、能源危机及环境污染等全球化问题日益严重,节能和环保成为世界各国最重要的命题.在汽车实现节能减排的途径中,通过材料轻量化和结构优化设计技术使汽车结构减重,是节能效果较好、容易实现的最有效技术方法之一.随着人们安全意识的增强,汽车座椅安全性法规要求越来越严格,传统的座椅骨架使用了较厚的高强度钢材,这样的设计尽管能满足设计指标和安全需要,但造成了座椅结构质量大、能耗和碳排放量高等问题.采用轻量化材料设计制造新型座椅骨架是解决目前问题的有效手段.在轻量化材料中,增强型碳纤维复合材料(carbon fiber reinforce polymer,CFRP)密度仅为钢材的1/5左右,在等刚度和等强度下,CFRP比钢材可减重50%以上,比镁铝合金可减重30%,具有独特的轻量化效果.CFRP的高强抗冲击性和极佳的能量吸收能力可以很好地改善汽车的安全性能.碳纤维的疲劳强度可达抗拉强度的70%～80%,其优异的抗疲劳、耐腐蚀性可以延长汽车寿命[1].CFRP在汽车上应用的另一个突出优势是结构整体成型,可大幅减少零件和紧固件数量,简化连接和装配,实现材料、功能、结构的一体化设计.因此,碳纤维复合材料汽车轻量化技术不仅可以提高汽车燃油效率、节省能源、显著减少污染物排放、实现环保,而且还能提高车辆的安全可靠性、加速性能、稳定可控性等,现已成为汽车工业领域轻量化技术的主流趋势[2].轻量化材料应用的核心问题是如何在满足相关座椅安全法规要求的前提下,合理地布局轻量化材料.本文以复合材料相关力学理论为基础,采用增强型碳纤维复合材料设计新的座椅结构,在保证满足相关安全法规的条件下,对碳纤维座椅骨架结构进行了结构拓扑优化设计和CFRP层合板优化设计,使其在满足刚度要求的同时,达到轻量化的目标.1.1 传统座椅结构目前乘用车后排座椅多采用钢制板管式骨架结构,如图1所示,其工艺较为简单,由钣金件和管件焊接而成,通过管件在钣金件上的布局提高座椅骨架的整体刚度,质量一般在11～15 kg[3].1.2 座椅法规要求汽车碰撞后,骨架的过大变形和破坏容易造成乘员二次受伤,需通过相关试验来验证座椅骨架的强度是否满足法规要求.座椅安全法规繁多,本文以要求较为严苛的后排座椅行李箱碰撞作为研究工况.后排座椅在正常使用时,构成行李舱的座椅靠背应具有足够的强度以保护乘员不因行李的前移而受到伤害.依照GB 15083-2006附录F《行李位移乘员防护装置的实验方法》[4]中的相关试验规定,行李箱动态冲击试验使用台车试验台,在其上施加一个不小于20 g的水平纵向加速度.试验中用2个质量为18 kg的刚性试验样块来模拟行李箱,布局如图2所示.以某型钢制座椅骨架作为参考设计原型,该参考骨架经试验验证,满足各项座椅安全法规的要求.参考座椅骨架在行李箱冲击试验中得到的冲击力最大值作为有限元模拟的静态加载工况,图3为后排座椅在动态碰撞过程中的冲击载荷曲线.座椅骨架60%一侧受到的冲击载荷最大,达到了17 355 N,40%一侧的最大冲击力为10 675 N.本文以该钢制骨架结构在上述工况的性能结果为评判依据.在上述工况下,该型钢制骨架的最大位移为110.75 mm,其结构质量为11.72 kg.2.1 骨架概念设计CFRP材料具有正交各向异性的材料力学特性,其构件的主要结构形式为层合板类板壳结构.单纯地增加CFRP层合板的厚度,整体结构刚度的提升效果不佳,反而会大大增加构件的质量.普遍的加强方式是通过布置一些加强筋来增加结构的整体刚度,但较成熟的结构拓扑优化技术只适用于各向同性材料,目前还没有布置复杂层合板加强筋行之有效的方法.层合板加强筋的布置主要还依靠经验,这给设计的可靠性产生很大的影响,在一定程度上造成了材料的浪费,而且CFRP层合板的制造对模具要求较高,复杂的加强筋排布会极大地增加生产耗时和成本[5].针对上述问题,新设计方案中的座椅骨架由CFRP层合板外壳和在层合板外壳内布置的短切碳纤维复合材料加强筋两部分组成.外层的CFRP层合板外壳作为座椅结构的基本骨架,起主要的支撑作用.层合板围成的箱体空间作为加强筋的主要布置区域.加强筋采用短切碳纤维复合材料,其密度小,有较高的比模量和比强度,纤维与基体材料混合均匀,各方向的力学性能差异不明显,可视为各向同性材料.座椅结构设计主要由CFRP层合板设计区和加强筋排布设计区组成,如图4所示.利用结构拓扑优化方法,寻找出相关工况下座椅结构受力时力的最佳传导路径.通过在这些部位布置短切碳纤维复合材料加强筋,可以在降低整体结构质量的同时,对碳纤维层合板骨架起到支撑和强化作用,提高座椅的刚度,使其具有更高的稳定性.最后通过优化CFRP层合板,进一步提高座椅骨架的整体刚度.2.2 工况设置新建座椅骨架的几何尺寸和连接方式与参考钢制座椅骨架相同.在座椅下端与地板连接位置约束X,Y,Z方向的移动自由度以及X,Z方向的转动自由度.座椅侧面锁止位置约束X,Y,Z方向的移动自由度,具体工况如图5所示.在行李箱撞击发生的对应位置用集中力模拟加载情况.在设计中为保证结构的可靠性,对最大冲击载荷适度放大,载荷系数取1.2.在模拟的工况中,对座椅靠背结构60%部分施加了20 826 N的力,对座椅靠背结构40%部分施加了12 810 N的力.座椅骨架结构整体的优化设计过程主要分为两个阶段:加强筋分布优化阶段和CFRP 层合板优化阶段.3.1 加强筋分布优化首先利用拓扑优化的方法,在加强筋设计区域寻找最优的加强筋布置方案,使有限的结构材料充分发挥其力学性能.采用基于各向同性材料的变密度法(SIMP)进行加强筋分布优化[6].SIMP方法是一种密度-刚度差值拓扑算法.以设计域内每个单元人为假定的单元密度(伪密度)为设计变量,该密度在0～1范围内取值,利用0～1之间实数的p次幂(p>1)会变得更小这一规律,对材料密度插值的中间值进行重新惩罚评估,使中间值向0或1靠近,这样大密度的单元与小密度的单元分化更明显.材料的单元密度用ρε表示.在SIMP方法中,优化后单元的弹性模量式中:Ee表示优化后单元的弹性模量;E0表示单元密度为1时的弹性模量;p为幂指数.汽车座椅骨架的刚度特性是汽车座椅骨架设计的关键.由于柔度与刚度成倒数关系,以座椅结构整体柔度最小为优化目标,可得到符合约束条件下刚度最大的结构.在拓扑优化中,对设计区域的体积进行一定的约束,可以在降低骨架质量的同时,得到轻质高强的座椅骨架结构.拓扑优化数学模型为式中:C为座椅靠背结构的整体应变能;Fi为碳纤维层合板TSAI-WU破坏准则判断参数,小于1,表示材料未发生破坏,以保证在拓扑优化过程中CFRP层合板不被破坏[7];V为优化后加强筋分布区的体积;V0为优化前加强筋分布区的体积;V*为保留分数,设定为0.5;dn为节点位移;[dmax]为规定的节点位移上限.考虑到拓扑形态对布置加强筋的参考意义,拓扑优化过程添加了拔模工艺约束.利用OptiStruct软件进行拓扑优化计算,迭代过程如图6所示.E为应变能，N为迭代次数.经过100次迭代后,结构应变能逐渐趋于稳定,迭代达到收敛,得到最佳的传力路径.分析得到的加强筋排布区域的单元密度分布云图(图7),云图中红色区表示单元密度接近1,需要保留,这些区域也是加强筋的主要排布位置.通过拓扑优化,骨架结构的质量由设计初始的18.66 kg减小到11.68 kg,最大位移为67.87 mm,结构的整体刚度得到明显的提高.参考拓扑优化得到的单元密度云图,选定设计区域内加强筋的主要排布位置,建立新的座椅几何模型,如图8所示.为简化加工和设计难度,加强筋多按垂直纵横交叉方式排布,并加强了与座椅固定位置的连接,在行李箱与背板碰撞区对加强筋排布进行了一定的加密.在新的座椅骨架结构中,为了使结构具有更好的稳定性,在加强筋与碳纤维层合板外壳四周保留了一定厚度的过渡区.对新建的座椅结构进行有限元分析,新建骨架质量为12.03 kg,与拓扑优化结果略有不同,超过了原钢制骨架质量11.72 kg.最大位移为89.82 mm,与原钢制骨架相比,整体刚度提升很大,在刚度方面有较大的优化空间.可以对新骨架结构进行一定的优化,以求降低质量,达到轻量化的设计要求.3.2 CFRP层合板优化碳纤维复合材料结构的力学性能取决于层合板的力学性能和几何结构,层合板设计是复合材料设计最为重要的环节.在设计中需要遵循一些设计原则[8].a. 主应力原则:纤维取向因尽量与构件的主应力方向一致,充分发挥纤维的承载能力.b. 铺层角度原则:一般多采用0°,90°和±45°等铺层角度,以简化设计和施工量.c. 对称均衡铺设原则:均衡对称层合板可以避免各种偶合作用引起的翘曲变形.d. 铺层顺序原则:同一角度的铺层尽量均匀分布,限制相同角度连续铺层数量,以防止分层和开裂等破坏.由于CFRP层合板框架为新座椅骨架的主要承力构件,在该阶段中,对新建的座椅骨架进行CFRP层合板优化,可以在降低质量的同时,提高结构的整体刚度.CFRP层合板优化主要由3个优化过程组成.从层合板的各角度铺层厚度、铺层数量、铺层顺序等方面将优化过程分为自由尺寸优化、铺层厚度离散优化、叠层顺序优化这3步.3.2.1 自由尺寸优化由于复合材料具有正交各向异性的材料特性,不同角度铺层的受力情况不同,因此,为使复合材料层合板结构中各铺层发挥其最大功效,有必要对各铺层的排布位置及厚度进行优化排布.自由尺寸优化的主要目的是在满足座椅骨架结构刚度的条件下,求得最优的各角度铺层的厚度分布.设计变量为各角度铺层的厚度.座椅结构中层合板的初始铺层顺序为[0°/45°/-45°/-90°],每层厚度均为2 mm.自由尺寸优化数学模型为式中:T为层合板的总厚度;Tmin,Tmax分别为层合板厚度的最小与最大限制值;εcom为复合材料的应变值;ε*为复合材料层合板层间应变许可值.自由尺寸优化后各角度铺层的厚度分布如图9所示,新骨架质量减为10.01 kg,最大位移为96.58 mm,新骨架的质量和刚度都得到改善.3.2.2 铺层厚度离散优化层合板由众多单层板叠层组成.自由尺寸优化得到的铺层厚度是一系列不规律的数值,从加工工艺和经济性考虑,CFRP单层板的厚度需要有一个恒定值,以便于规模化的生产加工.这就需要对自由尺寸优化得到的各角度铺层板厚度进行离散化和圆整处理[9].式中:Ni为各角度分层数量;Ti为各角度铺层的厚度;t为单层厚度.CFRP单层厚度一般在0.10～0.25 mm之间,本文t取0.10 mm.离散优化后各角度铺层分层结果如表1所示.本步优化以质量最小化为目标,在满足一定刚度的前提下,提高座椅的轻量化程度.优化后座椅骨架的质量降为8.12 kg,最大位移为98.51 mm.3.2.3 叠层顺序优化铺层离散化后铺层的数量显著增加,使得不同角度铺层的叠层顺序优化变得很有必要.在进行铺层顺序优化时,按照经典层合板理论,在满足相关铺层设计要求的条件下,通过计算不同的铺层排列顺序,得到层合板的最大刚度系数矩阵,进而得到座椅结构最大的刚度.根据相关制造工艺要求,在进行层合板铺层顺序优化时,以柔度最小为目标,添加的约束有:同一角度连续铺层的数量一般不超过4层,减小边缘分层现象的出现;±45°铺层成对铺设且反向排列,可提高构件抗屈曲性能;层合板的最外层铺层角度为±45°,可提高抗冲击性能[10].经叠层顺序优化后得到最终结果.60%层合板顺序:40%板铺层顺序:[±45/(±45/902/0/∓45/902/0)3]经过CFRP层合板三步优化之后,新建的座椅骨架的最终质量为8.12 kg,最大位移为97.24 mm.3.3 优化前后结构性能比较在设定的工况下,各阶段座椅骨架性能结果如表2所示.从刚度方面分析,复合材料层合板优化后,由于座椅结构中层合板质量减少,一些部位厚度变薄,使得座椅总体刚度与拓扑优化后的骨架结构相比有所下降,最大位移由89.50 mm增加到97.24 mm,座椅骨架变形相对增大,但最大位移依然小于参考钢制骨架,整体刚度满足要求.从质量方面分析,拓扑优化后的座椅骨架虽然在刚度方面得到显著提升,但其质量与参考钢制骨架相比有所增加,而层合板优化后骨架在刚度满足的同时,质量得到明显改善.综合考虑,层合板优化后骨架性能最佳,最终的新型轻量化骨架达到设计要求.a. 通过对座椅骨架结构的多阶段优化设计,提出了一种复合材料乘用车座椅骨架的设计方案.结果表明,新型骨架与参考钢制骨架相比,在整体刚度满足要求的同时,质量减轻了30.72%,轻量化效果明显.b. 根据复合材料成型特点,新结构可以选择适合的成型方法,通过整体成型,大幅减少零件数量.新型轻量化骨架整体结构零件数量为4个,而参考钢制骨架零件数量为11个,大幅度地减少了零件数量,简化了部件的组装工序,对碳纤维复合材料的实际应用有很强的工程指导意义和应用价值.【相关文献】[1] 何天白.碳纤维复合材料轻量化技术[M].北京:科学出版社,2015.[2] 曹渡.复合材料轻量化技术在整车上应用趋势探究[R].宁波:中国科学院宁波材料技术与工程研究所,2014.[3] ZHANG Y Q,DING X H.Multi-objective design optimization of automotive seat skeleton by considering dynamic collision condition[C]∥Proceedings of 2013 Internationl Symposium on Advanced Mechanical and Power Engineering,2013,11:13-21.[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB 15083-2006汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法[S].北京:中国标准出版社,2007.[5] KONDAPALLIP S,GRUMM K.Application and CAE simulation of over molded short and continuous fib er thermoplastic composites:Part I[C]∥12th International LS-DYNA Users 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李英杰_后排座椅骨架轻量化设计改进
后排座椅骨架轻量化设计李英杰北京江森汽车部件有限公司工程部摘要：某项目后排座椅骨架40/60两侧旋转支架共四个零件,有较大的优化空间。
结合后排座椅骨架设计的相关实验的仿真结果，运用HyperStudy及有限元分析软件，通过建立设计变量、DOE设计、响应面模拟、优化计算、最优解的强壮性分析等过程，实现了座椅骨架轻量化设计。
关键词：座椅骨架轻量化设计变量实验参数设计拟合优化概率分布研究1 前言在开发某项目后排座椅的过程中，对其后排座椅先后完成了后排行李箱碰撞、头枕的动态冲击/静态加载、扶手强度等FEA分析（此设计不需要做安全带固定点强度的相关试验），发现40/60骨架各两侧旋转支架共四零件存在较大优化空间。
其中后排行李箱冲击试验是最为严苛的一项实验，且被优化零件对其它两项实验的影响很小，所以采用后排行李箱冲击试验作为优化研究的数据基础。
表1：后排行李箱碰撞原始数据提要的同时，最大塑性应变仅为0.064，距离30%的材料需用应变还有很大的距离，为优化提供了很大空间。
2 建立优化变量对于SAPH440这种材料，参考Q/BQB 310-2009 汽车结构用热连轧钢板及钢带，在0.6mm~8mm之间的规格，是可以定制的。
公差标准参考Q/BQB 301-2009。
图1：Q-BQB 310-2009 汽车结构用热连轧钢板及钢带（摘录表1）这四个支架虽然材料相同，但是在后座椅结构的中起到的作用是完全不同的，应设定为独立的变量。
整个优化的过程在HyperStudy中完成，分为study setup, DOE study, Approximation, Optimization study, Stochastic study五个部分。
虽然此材料规格可以定制，但我们优化的结果并不希望出现类似2.32mm这样不够圆整的规格，根据以往的设计经验可以把四个支架的厚度作为变量，离散变量的规格范围若定在 2.0mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm之间，就可以建立一个4变量、每个变量7水平的全因子优化方案，但是会有74个组合，为后面的DOE加大了难度。
谈汽车行业中汽车座椅骨架轻量化分析状况
谈汽车行业中汽车座椅骨架轻量化分析状况作者：郭长海，张楠楠来源：《中小企业管理与科技·上中下旬刊》 2016年第4期郭长海，张楠楠（长城汽车股份有限公司，河北保定071000）摘要：汽车配备的座椅骨架在整车中是不可忽视的，轻量化的骨架包含轻量的材质及本体结构。
从现状来看，相比于构架配备的轻量化，材质轻量化拥有更优的特性。
轻量化可选钢铁这类的常见原材，也可选取新型碳纤维及镁合金。
如果条件准许，最好采纳超高及较高强度下的钢材以便于设计座椅骨架。
对于此，解析了轻量化座椅骨架的常见设计途径，分析得出现存的轻量化方式。
关键词：汽车座椅骨架；轻量化；分析现状中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1673-1069（2016）11-173-20 引言铝镁合金材质具有更低的密度及更优的弹性刚度，能抵抗突发的撞击。
若选取铝镁合金材质用作生产座椅骨架，则可减低较多的整车自重，从而可以降低总体油耗和尾气排放。
轻量化的这类骨架不必变更原先的配合件，新式设计可选取低压铸造得出的合金靠背以及搭配的冲压板件，这些构件将被设定为骨架内在的主体[1 ]。
由此可见，轻量化骨架更适宜批量制作，而新工艺的应用也确保了轻量化骨架能够被批量生产。
1 汽车座椅骨架的轻量化意义从总体重量上来看，座椅骨架占整体座椅重量的70%，塑料构件及泡沫等占到了30%。
由此即可明确：若能缩减骨架附带的本身重量那么即可创设轻量化最优的新途径。
上世纪末以来，轻量化范围内的调研仍处于起始中。
现存较多调研注重于细微的车体构件改进，并没能深化解析骨架是否减轻了自重。
由此即可得知：针对于骨架采纳的轻量化途径仍拥有持久的改进价值[ 2]。
为了适应时代，汽车行业增设了新式法规以此来拟定轻量化必备的指标。
轻量化范围内的要点即为座椅骨架，然而选取单一流程的轻量化仍存在局限，没能吻合真正的轻量化需要。
轻量化尤为注重选取的材质，材质最能凸显必要的轻量化实效。
例如：可选复合状态下的碳纤维、轻质的合金钢以便于替换黑色的常规金属原材。
汽车座椅调整机构的改进与试验
文章编号:1004-2539(2008)05-0112-02汽车座椅调整机构的改进与试验(聊城职业技术学院, 山东聊城 252000)葛序风 丁明成 梁乃云摘要 为提高行车人员的安全性,将现有的汽车座椅与底盘的刚性固定改为弹性固定,即将汽车座椅固定于活动底座上,活动底座与汽车底盘靠刚度足够的螺旋拉伸(汽车纵向)弹簧和压缩弹簧(横向)固定。
介绍了弹簧参数的计算与确定,并进行了模拟试验。
关键词 汽车座椅 安全性 弹簧参数 试验1 问题的提出现有汽车座椅的调整、安装主要是从行车舒适性的角度考虑的,如图1,调整座椅沿齿条的前后移动和调整平行四杆机构的靠背转角(有手动、电动两种)[1]。
而其安全性是由安全带、安全气囊等装置加以保证的。
但是,从国际上对汽车碰撞对人员造成的损害的统计来看,损害程度依然是相当高的。
作者试图从汽车座椅调整、安装的角度对座椅的调整机构进行改进,以达到提高驾乘人员行车安全性的目的。
2 调整机构的结构改进汽车专家及有着长期、丰富的驾驶经验的驾驶员都认为,如果汽车座椅的底座不是现有的与底盘刚性固定,而是在发生事故的瞬间能与底盘产生小的位移或转角,即延长了驾乘人员由原行驶动量到零动量的转化时间,将大大减小驾乘人员所受的冲力,进而减小其受损害的程度。
图1 现有座椅调节原理如图2,此种改进是将汽车座椅安装在可与底盘1产生滑动的活动底座2上,活动底座纵向靠拉伸弹簧4相对固定,横向靠压缩弹簧3相对固定。
拉伸、压缩弹簧均具有足够的刚度,以保证正常行驶的情况下座椅的稳定性。
为保证活动底座始终与底盘平面接触(撞车时做平面运动),活动底座用压板5压靠。
3 拉伸弹簧的参数确定与计算[2]根国家汽车碰撞试验C-NCAP 的规定[3],汽车以50km/h 正面、重叠率100%碰撞固定障碍物时,人体受到的平均冲力为400kg (汽车受后撞和侧撞时冲力要小)。
此处拉簧承受的还有座椅及附件(质量不到人体质量的50%)的冲力,设定由安全带吸收(C-NCAP 认为安全带缓冲速度至初撞速度的一半),即拉簧承担此400kg 4000N 的冲力。
汽车座椅骨架轻量化的研究概况
汽车座椅骨架轻量化的研究概况作者：杨熠来源：《装备维修技术》2020年第13期摘要：汽车为了减轻自重要实现汽车座椅骨架轻量化，为了使汽车座椅骨架轻量化，要从结构和材料入手来进行研究，经过多次实验研究汽车座椅轻量化，采取材料轻量化的做法比较可行，目前采用复合型材料可以起到汽车座椅轻量化的作用。
关键词：汽车座椅;股价轻量化;研究前言随着社会的进步汽车的保有量也在激增，近年来我国的家庭轿车也在迅速的发展，因此带来了很大的空气污染问题，有效的降低汽车的重量可以减少污染物的排放，各大汽车厂家都在寻找降低汽车自重的方法，汽车座椅骨架轻量化可以降低汽车的自重量。
1 汽车座椅轻量化的方法汽车车身重量的计算方法很多，宝马公司推出了一个比较准确的计算方法，这是一种采取轻量化系数来进行计算的方法。
它通过对车身质量的计算、参考扭转系数和投影面积来计算车身重量。
L= ×10其中m是汽车的重量，KG;c 是汽车的静态刚度;A是汽车的投射面积，mL这个轻量化系数大，这个汽车的质量也越来越大。
现在进行汽车座椅轻量化研究的文章不多，国际上对于汽车座椅轻量化，也没有形成一个成熟的研究体系。
根据前面的轻量化公式可以计算出座椅的重量，其中刚度和投影面积对汽车质量有很大影响。
汽车座椅的设计还要考虑到它的安全性能，减震效果也要进行参考。
2 轻量化技术现在减轻汽车座椅骨架重量有两个方法，（1）结构和另加的优化设计（2）采取新型合成材料来降低重量，为了对汽车座椅进行轻量化设计可以，采取质量好重量轻的铝合金和碳纤维材料来进行汽车座椅设计。
2.1 轻量化结构2.1.1 优化尺寸为了使汽车座椅轻量化要对汽车座椅的外形和零件的尺寸进行科学的设计，对于壁厚和体积都要精细的设计，所有的配件都要求尺寸小、厚度也要小，这样才能有效的减轻重量。
科学家采用有限元分析方法，对汽车的后排座椅骨架进行了优化设计，通过尺寸的优化设计使重量得到了降低，而且汽车座椅的设计还要符合国家的相关规定。
一种汽车座椅安装结构的优化
qiyekejiyufazhan0引言汽车安全座椅是汽车普遍采用的安全装备，是一种有效的成员保护装置。
为使座椅在汽车上能充分发挥作用，除本身的结构和强度外，它在车身上的安装强度（车身座椅固定点强度）也至关重要。
本文针对某商用车中排座椅右后脚安装点结构在安全带拉力试验中出现的螺母脱开问题，采用CAE 辅助分析手段，对其固定点结构进行优化设计，优化后的结构成功地解决了安全带拉力试验中出现的安装螺母脱开问题。
通过这一实例，本文总结了座椅安装点结构的设计经验，为今后进一步优化车身强度和功能的设计提供一些借鉴和参考。
1座椅安装结构特点某商用车中排座椅安装点位置分布在车架后地板横梁一焊合件上，每个安全带安装板上有一个安装点，安装点沿Y 向布置，2个座椅安装螺母均布于座椅安装板上的安装螺母板上，中排座椅右后脚安装板与横梁通过电阻点焊连接，而座椅则通过螺栓固定在中排座椅右后安装板上（如图1所示）。
某商用车在安全带拉力试验中，中排座椅右后脚安装螺母出现脱开的问题（如图2所示）。
2原因分析2.1结构应力分析经CAE 模拟分析得知：座椅安全带安装板开裂处的最大应变值为0.621（其应变要求≤0.12），超出其应变要求范围，座椅安装板的材料为ST37-2G ，其理论屈服值≥215MPa ，安全使用范围≤215×80%＝172MPa ，安全裕度较小（如图3所示）。
在安全带拉力试验结构设计图故障图图2中排座椅右后脚安装螺母脱开故障示意图【作者简介】陆毅初，男，广西南宁人，上汽通用五菱汽车股份有限公司工程师，从事车体工程车架结构设计与开发工作；周源源，男，湖南武冈人，柳州宏烨汽车设计服务有限公司工程师，从事车体工程车架结构设计与开发工作。
一种汽车座椅安装结构的优化陆毅初1，周源源2（1．上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007；2．柳州宏烨汽车设计服务有限公司，广西柳州545007）【摘要】文章通过对某商用车在安全带拉力试验中中排座椅右后脚安装螺母脱开的原因进行分析，并对中排座椅右后脚安装点的结构进行优化，提高了安装点的结构强度。
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关键词：座椅骨架有限元法结构改善
中图分类号：Ｆ２７３．２
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００—４９９８（２００９）１１一００６４一０４
汽车座椅骨架是汽车座椅的基础组成部分，主要 由坐垫骨架及靠背骨架两部分组成。座椅骨架常用钢 制管材焊接制成或用钢板冲压后焊接而成，座椅骨架 使用螺钉直接固定或通过座椅调节装置固定在车身 上。座椅作为汽车的安全件之一，其骨架的强度对整车 的安全起着重要的作用，能在汽车受到撞击时很好地 保持乘员一定的姿态，使其它安全件（如安全带、安全气 囊等）可以充分发挥保护功能。由此可见，汽车座椅骨架 对汽车的行驶平顺性、乘坐舒适性、安全性有很大影 响，因此汽车座椅骨架的设计越来越受到人们的重视。
新材料
ＱＳＴＥ３４０冷拔 未更换 未更换
ＱＳＴＥ４２０ｔ：２．０ ＱＳＴＥ４２０ｔ：２．０
未更换 未更换 末更换 未更换
ＢＳ６００ｔ：５．０
初始枕料 ４，２５×１．５ Ｑ２３５Ａ
ＳＰＣＣｔ：１．５ ＳＰＣＣｔ：２．Ｏ ＳＰＩ｛Ｃｔ：２．０ ＳＰＨＣｔ：２．０
４，２２×１．５ Ｑ２３５Ａ ４，２２×１．５ Ｑ２３５Ａ
ＳＰＣＣｔ：２．Ｏ ＳＰＣＣｔ：２．０ ￥２０Ｃｔ：４．０
零件的材料首先需要替换，另外支架的中后部为受力 最大的区域，因此此处的应力最大，单单依靠材料的更 改可能仍然无法满足强度的要求，所以该零件需要在 后续的设计中同时对结构和材料进行改善。 ２．５骨架结构的改善及验证
根据在设计初期使用材Ｎ－力学计算和ＦＥＡ有限 元法的分析，初始设计的座椅骨架存在相当大的问题， 需要对其结构及材料进行优化和改善，如表２所示。
２骨架结构改善
这里所指的结构改善，是指利用材料力学计算及 有限元法的ＦＥＡ分析对初步的骨架设计方案进行评 价，找出其中容易导致实验失效的薄弱环节，然后根据
而其找正误差比较大。而运用激光跟踪仪测量系统精 度高，误差小。
（２）传统的测量方法由于受到自制三角架体积较 大和反射镜需多次安装才能调平的限制，每次至少需 ５人操作。而运用激光跟踪仪测量系统只需２人即可完 成操作。
（３）传统的测量方法需要对机座进行两头找正，耗 时超过１０ ｈ。而运用激光跟踪仪测量系统大约只需２ ｈ。
回２００９／１１
参考文献
【１】 李广云．激光跟踪测量系统的原理及在车身在线检测中的
应用【Ｊ】．上海计量测试，２００２（４）．
［２】 张春富，张军，唐文彦，等．激光跟踪仪在大尺寸工件几何
参数测量中的应用【Ｊ】．工具技术，２００２（５）．
必须按ＧＢｌ４１６７｛汽车安全带安装固定点》中的规定对
安全带的安装固定点施加相应的负荷，三点式安全带
上下各１３ ５００ Ｎ，两点式安全带则是２２ ２５０ Ｎ，所有的
力应以尽可能快的速度同时加载至规定值，并至少保
持Ｏ．２ ｓ。 该实验中座椅应放置在对强度最为不利的驾驶或
使用位置上，如图１所示，其中一即上施力点，凡即下
模型建立后需要在骨架上根据国家ＧＢｌ５０８３标准 的要求进行模拟的力加载，由于该项目为Ｍ１类车，后 排座椅的额定乘员为３人，因此两侧的３点式安全带按 照国标要求在上下假人块上加载１３ ５００ Ｎ的力，根据 计算２个座椅骨架的总重量为３６ ｋｇ，同时测算出座椅 的重心距离车身地板的ｚ轴坐标为４０６ ｌ：ｌ＇ｌｌ＇ｒｌ，因此在此 处还需向前加载２０倍的重力，即２０９＝２０×３６×９．８＝ ７ ０６３ Ｎ。如图５所示：
具在车身中的位置时常以此点作为定位基准点。
２．３材料力学的理论计算
为使座椅靠背骨架能满足５３０ Ｎｍ的新国标强度
要求，在骨架结构设计及选材时，必须对骨架靠背主支
撑管的强度进行材料力学的初步理论计算¨１，以便对
初始的骨架结构及材料进行评价，加强薄弱环节或减
少多余的部分。
具体实验扭矩加载的方式如图２所示。
靠背框架总成包括两侧的调角器上侧板、上部的 靠背连接管、侧面支撑钢丝及靠背弹簧等部件。 １．２主要功能部件
座椅的功能部件一般包括调角器总成、滑道总成 和调高器总成等，这些部件都是实现座椅功能的必要 零件，这种功能件一般由专门的设计小组设计，应用广 泛，质量较稳定，生产批量大，价格相对便宜。
调角器装置目前广泛使用的是行星齿轮式，可以 调节驾驶时的靠背角度；滑道总成主要是由上滑道、下 滑道、锁止机构、回复弹簧、罗拉等部件组成，可以调节 座椅的前后位置；座椅调高机构的作用主要是调节座 椅坐垫的高度，以适应不同身高的乘客。
【３１刘晓东．使用激光跟踪仪确定数控机床空间位置关系【Ｊ１．
制造业自动化，２００４（８）．
△
（编辑 小 前）
盛 机械制造４７卷 第５４３期
万方数据
序号
ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ｌＯ
表１ 座椅骨架初始材料清单ＢＯＭ表
零件名称 靠背边管 后座侧固定板 角调固定支架 翻转机构左下支架 翻转机构右下支架 坐挚前边管 坐垫左边管 滑轨前安装支架 滑轨后安装支架 钩形支架
材料 击２５ Ｘ１．５ Ｑ２３５Ａ
ＳＰＣＣｔ：１．５ ＳＰＣＣｔ：２．０ ＳＰＨＣ ｔ：２．０ ＳＰＨＣｔ：２．０
击２２×１．５ Ｑ２３５Ａ 击２２×１．５ Ｑ２３５Ａ
ＳＰＣＣｔ：２．０ ＳＰＣＣ ｔ：２．Ｏ ￥２０Ｃｔ：４．０
用量
ｌ ｌ １ ｌ ｌ １ ｌ ２ ２ ２
计算结果合理调整结构设计方案和替换合适的钢材。 骨架的结构改善可按照以下几个步骤来完成：①
算，对于其他复杂的结构，如冲压钣金之类的零件，则
无法准确计算出其强度，因此在座椅骨架设计中，很多
情况下需要依靠基于有限元法的计算机辅助ＦＥＡ分
析。
２．４有限元法ＦＥＡ的验证
在座椅骨架的设计中可借助有限元ＦＥＡ分析¨１
的方法来对数据模型的强度进行校验及评价，以便在
开模具之前找到结构中的薄弱环节，从而避免模具修
▲图４座椅骨架总成ＦＥＡ仿真模型示意图 ▲图５骨架ＦＥＡ仿真模型载荷加载示意图
囵２００９／１１
▲图７坐垫翻转机构下支架强度ＦＥＡ分析图
机械制造４７卷第５４３期ａ噩ｋ
万方数据
序号
１ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０
表２座椅骨架改善后材料清单ＢＯＭ表
零件名称 靠背边管 后座侧固定板 角调固定支架 翻转机构左下支架 翻转机构右下支架 坐挚前边管 坐楚左边管 滑轨前安装支架 滑轨后安装支架 钩形支架
通过材料力学理论计算及ＦＥＡ有限元法的验证， 对座椅骨架总成进行了以下调整：
１）将靠背边管的材料由较弱的Ｑ２３５Ａ改为宝钢 的高强度钢ＱＳＴＥ３４０，同时增加了冷拔工艺，使其足以 满足４３１．６ＭＰａ的最低强度要求。
２）翻转机构下支架的材料由ＳＰＨＣ改成了高强度 钢ＱＳＴＥ４２０，以满足其强度要求，同时调整了该支架的 结构，另外在下支架侧面增加了翻边，同时在ＦＥＡ分 析显示的中后部薄弱区域增加了加强筋，以增强下支 架的整体强度，如图８所示。
同时，坐垫翻转机构下支架的设计结构也无法满 足要求，ＦＥＡ分析 的结果显示该零 件在实验中能承 受的最大屈服强 度为４２０ＭＰａ，如 图７所示。
原来该零件 设计的材料为 ＳＰＨＣ，为普通热 轧钢板，屈服强度 没有要求，只有抗 拉强度要求大于 ２７０ＭＰａ，因此该
▲图６骨架滑道钩形支架强度ＦＥＡ分析图
１ 座椅骨架结构简介
１．１骨架基础结构
★国家自然科学基金资助项目（编号：６０５７４０５４） 收稿日期：２００９年５月
座椅骨架平台是座椅总成的基础组成部件，家用 汽车上的座椅一般都有２至３排，因此座椅骨架还可以 按照位置来区分，包括前排和后排座椅骨架总成，前、 后排的骨架结构是完全不同的。
基础部件一般包括坐垫框架总成和靠背框架总 成，这两部５－＇ｒ在座椅中是分开进行设计的，一般是由冲 压钣金件或管件焊接而成。
在骨架ＦＥＡ模型设置完后，对其进行实验载荷的 模拟，要求在１０ Ｉｉ＂１Ｓ内加载到１００％的载荷，同时要求 保持ｏ．２ ｓ以上，则实验可被判定为通过。
在ＦＥＡ模拟计算完成后，结论显示初始的骨架设 计存在问题，部分零件强度不够，首先是座椅滑道后部 的钩形支架，此处受力的强度值最高，屈服强度甚至达 到了８８０ ＭＰａ，如图６所示。显然屈服强度仅为２４５ ＭＰａ的 原设计材料￥２０Ｃ无法满足要求。如果按此设计，之后的 实验肯定会失效。因此此处需要重新设计并更换材料。
汽车座椅骨架结构的改善★
口孙井晶 口周炳海 上海交通大学机械工程与动力学院上海２００２４０
摘要：以李尔集团下属某整车项目中的后排座椅骨架结构为例，分析了后排座椅骨架结构强度失效的原因。应用
有限元法、类比法和理论分析的方法对该后排骨架结构强度进行改善，可为后排带滑轨可翻转式座椅骨架的设计、有限元
模型的建立及结构强度改善提供参考，为正确设计和改善结构强度提供了依据。
在座椅的设计过程中，由于工程师无法完全凭借 自身能力非常精确地估算出座椅骨架的强度，只能凭 经验去设计结构，选择材料。这样盲目地设计容易导致 座椅骨架的强度过低，从而在整车遇到碰撞时危及乘 员的生命，或者导致座椅骨架的强度过高，造成不必要 的成本浪费，使整车价格不经济。在现代座椅骨架设计 中，传统的材料力学计算法及先进的有限元分析法都 能较精确地估算出座椅的实际强度，从而使座椅设计 更趋于合理和高效。
施力点，凡为通过座椅重心的水平力，该力大小为２０倍
座椅重力。
另外，座椅还需满足靠背及调节装置的强度实验
要求，即通过一个模拟假背模型，对座椅靠背沿纵向向
后施加一个相对于座椅Ｒ点５３０ Ｎｍ力矩的负荷后，座
椅靠背或座椅不能出现断裂和破坏。其中Ｒ点指的是
二维或三维人体模型样板中人体躯干与大腿的连接点
即胯点，在人体模板中为髋关节。在确定驾驶室布置工
钢管和支架上的最大正应力可由以下算式获得：
盯盯。ｍｕ。２面：■争
（～１１，）
器 机械制造４７卷 第５４３期