汽車座椅輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及成形工藝優(yōu)化

1、西南交通大學(xué)汽車座椅輕量化強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化學(xué)院：材料科學(xué)與工程專業(yè)： 材料加工姓名：李康寧學(xué) 號(hào)：20152009912016年5月目錄1.1引言31.2輕量化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)413研究?jī)?nèi)容52.1原制鋼制座椅分析52.2鋁合金座椅骨架分析63.1座椅總成靜強(qiáng)度有限元分析7123.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化10結(jié)論汽車座椅輕量化強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化1.1引言隨著汽車總保有量和新增量的不斷增加，汽車耗油量及汽車二氧化碳、 有害氣體及顆粒的排放量也在快速增加。在能源日益緊缺，環(huán)境日益惡化的今天, 這種矛盾己成為制約汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的突出問題。面對(duì)能源危機(jī)和低碳環(huán)保 的巨大壓力，解決這一矛盾最有效、最現(xiàn)實(shí)的方法

2、之一，也是當(dāng)今世界汽車工業(yè) 發(fā)展的潮流，就是實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化。汽車的輕量化就是在保證整車強(qiáng)度和剛度的前提下，通過結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì) 及輕量化材料的使用，達(dá)到減輕整車質(zhì)量的目的。此舉可以有效降低二氧化碳等 有害氣體及顆粒的排放，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，因此，汽車輕量化是現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的 主流?？傮w來說，輕量化的發(fā)展主要有3個(gè)方向:一是利用cae有限元分析優(yōu)化 整車骨架及各零部件結(jié)構(gòu)，二是釆用各類輕量化材料，三是采用新的成形工藝方 法。目前普遍應(yīng)用的輕量化材料一類是高強(qiáng)度鋼板，另一類就是輕金屬材料如鎂、 鋁合金，塑料及碳纖維材料等;新的成形方法主要有液壓成形、激光拼焊板成形， 及針對(duì)金屬材料開發(fā)的半固態(tài)成形、

3、各種壓力成形、粉末冶金等。輕質(zhì)材料鋁合金在汽車上的應(yīng)用發(fā)展迅速。鋁是僅次于氧和硅，在地殼中含 量最高的金屬元素z-o與其他金屬材料相比，鋁合金的密度小，只有鋼鐵的 1/3左右;比強(qiáng)度高，是優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)件材料，能以較小的截面積抵抗載荷;抗沖擊 性能好，大大提高了汽車的安全性能;吸噪能力強(qiáng)，可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)及其他部件 噪音，提高舒適性;另外其加工性能也較好，可采用多種加工方式;鋁合金極高的 再回收，再生性極大的降低了材料的浪費(fèi)，減少了回收利用的成本，提高綜合經(jīng) 濟(jì)性。鋁及鋁合金是最早用于汽車制造的輕質(zhì)金屬材料，也是工程材料屮最經(jīng)濟(jì) 實(shí)用、最有競(jìng)爭(zhēng)力的汽車用輕金屬材料，從生產(chǎn)成本、零件質(zhì)量、材料利用率等

4、 方面看，具有多種優(yōu)勢(shì)，成為汽車輕量化材料的不二選擇。1.2輕量化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)總的來說，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化主要有2種途徑:一是利用有限元方法，拓?fù)鋬?yōu) 化方法改進(jìn)汽車整車結(jié)構(gòu)及零部件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件材料分布最優(yōu)化;二是利用 各種輕量化材料，包括高強(qiáng)度鋼板材料和輕質(zhì)材料。 結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)就是是利用有限元法和現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析 和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以減輕汽車車身、各零部件如發(fā)動(dòng)機(jī)、承載件件和內(nèi)飾件的重量。 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)即在保證產(chǎn)品達(dá)到某些性能目標(biāo)（如強(qiáng)度、剛度）并滿足一定約束條 件的前提下，改變某些設(shè)計(jì)變量，使結(jié)構(gòu)的重量最輕，這不但節(jié)省了材料，也便 于運(yùn)輸和安裝。優(yōu)化設(shè)計(jì)以數(shù)學(xué)規(guī)劃為理論基礎(chǔ)，將設(shè)計(jì)問題

5、的物理模型轉(zhuǎn)換成 數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用最優(yōu)化數(shù)學(xué)理論，以計(jì)算機(jī)和商業(yè)軟件為優(yōu)化工具，在充分考慮 多種約束的前提下滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的最佳設(shè)計(jì)方案。有限元法在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被廣泛 使用，它可以使任何復(fù)雜的工程問題，簡(jiǎn)化為有限元模型進(jìn)行分析研究。fi前廣 泛使用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工具altair optistruct,以有限元法為基礎(chǔ)，提供拓?fù)鋬?yōu)化、尺 寸優(yōu)化、形貌優(yōu)化、自由形狀優(yōu)化等多種優(yōu)化方法，可以對(duì)汽車車架結(jié)構(gòu)及各零 部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化。在有效滿足設(shè)計(jì)功能及外型要求的前提下，先經(jīng)過概 念設(shè)計(jì)在到詳細(xì)設(shè)計(jì)，尋找設(shè)計(jì)區(qū)域最優(yōu)的材料分，使得結(jié)構(gòu)最輕，性能化，大 大提高設(shè)計(jì)效率最佳，盡可能使零部件屮空化、薄壁化、小型化

6、。 汽車輕量化材料主要有兩人類:一類是具有較低低密度的輕質(zhì)材料，諸如 鋁合金、鎂合金、欽合金、塑料和復(fù)合材料等;另一類是高強(qiáng)度材料，如高強(qiáng)度 鋼板，超高強(qiáng)度鋼板等。目前，汽車輕量化主要以汽車輕量化材料為主要實(shí)現(xiàn)途徑。汽車制造工業(yè)中 已大量應(yīng)用的輕量化材料主要有高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金和塑料、碳纖維、樹 脂基復(fù)合材料等。汽車輕量化材料的研發(fā)和選用需考慮的因素有:一是具有較小 的密度、較高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，像鋁合金、鎂合金、塑料類材料、各種復(fù)合材料; 二是在同樣密度和彈性模量下而比強(qiáng)度高、工藝性能好的材料，這種材料做成的 結(jié)構(gòu)件可以采用較小的截面抵抗較大的載荷;三是基于新型材料成形技術(shù)的輕量 化結(jié)構(gòu)

7、材料，如金屬基復(fù)合材料板激光焊接板材、連續(xù)擠壓變截而鋁合金型材、 適合各種精密鑄造成形的鑄造鋁合金材料等。方案和二是通過更換汽車零部件材料種類來實(shí)現(xiàn)輕量化目的，方案三是通過采用新型材料結(jié)合先進(jìn)成形技術(shù)來達(dá) 到輕量化。在各輕質(zhì)材料屮，鋁合金材料在汽車上的應(yīng)用尤為顯著，一些非金屬 材料的比例也逐步增加。13研究?jī)?nèi)容本文結(jié)合安徽省佳運(yùn)車輛零部件有限責(zé)任公司的輕合金座椅開發(fā)項(xiàng)h而展 開，以582型客車座椅的沖壓鋼制骨架為基體，依據(jù)gb 13057 - 2003的法規(guī)要 求對(duì)鋼制座椅和鋁合金座椅骨架進(jìn)行靜強(qiáng)度仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)座椅結(jié)構(gòu) 進(jìn)行了進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。利用procast鑄造仿真軟件對(duì)鋁合金

8、座椅靠背骨架的 低壓成形工藝進(jìn)行了一系列優(yōu)化。2.1原制鋼制座椅分析傳統(tǒng)的客車座椅骨架多以沖壓鋼板(管)焊接而成，因此往往重量比較大。若 能將鋁合金應(yīng)用于汽車座椅骨架，那么輕量化效果是很明顯的，尤其對(duì)于4060 座的商務(wù)車和大型客車。木節(jié)在詳細(xì)分析原鋼制座椅骨架，比較和研究了各種輕 合金特性、經(jīng)濟(jì)性及生產(chǎn)制造工藝的基礎(chǔ)上，確定了鋁合金代替q235鋼設(shè)計(jì)生 產(chǎn)汽車座椅骨架的可行性,并利用proe軟件對(duì)鋁合金座椅進(jìn)行了幾何模型設(shè)計(jì)。 為新型鋁合金汽車座椅的前期設(shè)計(jì)開發(fā)打下了技術(shù)基礎(chǔ)，并對(duì)鋁合金向其他汽車 零部件的推廣應(yīng)用起到良好的借鑒作用。<a) iebff(b)側(cè)而圖2.1原鋼制座椅圖fi

9、g21 original steel seat frame圖2.1為安徽省佳運(yùn)車輛零部件有限責(zé)任公司提供的582型小商務(wù)客車座椅 骨架。主體骨架均采用q235a碳素鋼材質(zhì)，重量較大，不符合現(xiàn)代汽車業(yè)對(duì)輕 量化的要求。由圖可以看出，座椅骨架由多個(gè)零部件焊接而成，焊縫較多，制造 工藝繁瑣，外觀比較粗糙。其次，鋼制座椅表面容易生銹，鋼鐵材料易被氧化和 腐蝕；且鋼鐵材料回收再利用的難度大，成本高，回收利用率低造成材料浪費(fèi), 經(jīng)濟(jì)性較低，不符合低碳環(huán)保的要求。另外，鋼制座椅在降噪，彈性方而不及鋁 合金，舒適性差。鋼制骨架零部件多，總重量較大。其主要的結(jié)構(gòu)件有:靠背圓 鋼管、加強(qiáng)扁鋼、拉臂、邊板、椅架方管

10、、椅腳固定鋼。相應(yīng)的厚度如表2.1所 zj o表2.1原設(shè)計(jì)方案主耍鋼板件厚度tab.2.1 thickness of steel panels骨架結(jié)構(gòu)件名稱厚度/mm靠背圓鋼管4>25x2加強(qiáng)扁鋼3左及右拉臂4左及右邊板3前及后椅架方管40x20x2椅腳固定鋼4靠背圓鋼管先采用圓鋸床進(jìn)行下料工序，再在折彎機(jī)上利用模具進(jìn)行軋彎 成形。加強(qiáng)扁鋼起加強(qiáng)靠背的支撐作用，是用剪切機(jī)剪切成形的。拉臂、邊板及 椅腳固定鋼均采用模具沖壓成形。最后將這些零部件一一焊接或螺栓連接，組裝 起來構(gòu)成汽車座椅骨架總成。此座椅加工工序繁瑣，勞動(dòng)強(qiáng)度人，耗時(shí)長(zhǎng)ii工作 環(huán)境相對(duì)惡劣，需模具數(shù)量多，加工成木較高。2.

11、2鋁合金座椅骨架分析釆用鋁合金代替原q235鋼設(shè)計(jì)制造汽車座椅骨架，這是采用輕質(zhì)材料實(shí)現(xiàn) 汽車座椅輕量化的一個(gè)代表，它的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：(1) 大大減輕了座椅的重量，使大型客車整車質(zhì)量下降，提高燃油經(jīng)濟(jì)性， 且鋁合金座椅減震效果好，提高了乘坐舒適性。(2) 采用鑄造鋁合金整體式零部件，能夠有效減少零件的數(shù)量，明顯減少了 零件焊點(diǎn)數(shù)量，焊接應(yīng)力減小，座椅的總成靜強(qiáng)度提高。另外裝配工序減少，降低了制造成本。(3) 采用低壓鑄造成形工藝，能有效提高材料利用率。另外，壓力下充型平 穩(wěn)可控，鑄件組織致密，具有良好的綜合機(jī)械性能。低壓鑄造件還可熱處理強(qiáng)化， 進(jìn)一步提高鑄件的強(qiáng)度。汽車座椅輕量化設(shè)計(jì)，作為汽

12、車輕量化的一部分，在國際汽車行業(yè)內(nèi)的發(fā)展 迅速，但是我國在這一方而起步較晚，技術(shù)還不成熟，所以利用有限元等先進(jìn)手 段進(jìn)行鎂鋁合金在汽車座椅零部件上的應(yīng)用研究，具有廣闊的前景和極高的工程 應(yīng)用價(jià)值。參考原鋼制座椅結(jié)構(gòu)外形尺寸并依據(jù)客車座椅外形尺寸相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求, 決定新型鋁合金座椅靠背的高為660mm,寬為385mm?？勘城€的設(shè)計(jì)大致符 合人體背部?jī)?yōu)化曲線，其平而圖如圖2.4所示。(a)主視圖(b)側(cè)視圖圖2.4鋁合金靠背平面圖fig.2.4 2d drawing of aluminum alloy seat back3.1座椅總成靜強(qiáng)度有限元分析在對(duì)座椅進(jìn)行有限元模擬分析時(shí)沒有必要建立所有

13、零部件的有限元模 型。應(yīng)根據(jù)各零部件對(duì)座椅強(qiáng)度的影響程度大小對(duì)零件進(jìn)行取舍，如靠背骨架中 的橫豎鋼絲、調(diào)節(jié)氣彈簧，座建骨架中的部分位置調(diào)節(jié)裝置等都不需耍建立其幾 何模型。另外座椅表面的皮套及泡棉等覆蓋物對(duì)外部載荷的分配很少，且為非線性材料，如果考慮其結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，不僅加大了工作量，而且會(huì)造成模擬 結(jié)果的不準(zhǔn)確。所以，對(duì)于泡棉和皮套在有限元建模時(shí)不予考慮，這樣不僅會(huì)大 大提高工作效率，而且提高了分析結(jié)果的精度。依據(jù)以上幾何建模和有限元建模原則，我們將原鋼制座椅分解為4部分:座 椅靠背，拉臂，邊板及椅架，如圖3.2所示。新型鋁合金座椅分為3大部分:座椅 靠背，邊板及椅架。如圖3.3所示。圖3

14、.2原鋼制座椅f架幾何模型fig.3.2 original steel seat frame圖3.3鋁介金座椅丹架幾何模型fig.3.3 aluminum alloy seal frame根據(jù)有限元建模的原則和方法，圖3.8和圖3.9所示分別為鋼制座椅和新型鋁合金座椅骨架的有限元模型。圖3.8鋼制座榆骨架有限元模型fig.3.8 finite element model of steel seal framem 3.9鋁合金座椅秤架有限元模型fig.3.9 finite element model of steel seat frame圖3.10為按照gb 13057-2003對(duì)鋼制座椅hl=

15、0.7m加載點(diǎn)施加1000n向前的載荷后，座椅骨架的應(yīng)力分布圖。由圖中可以看出，由于座椅整體為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，加載的力又處于對(duì)稱中心線上，所以在承受載荷后座椅兩邊的應(yīng)力分布基木相同。座椅在承受以上載荷時(shí)，應(yīng)力較大的部位主要集中在靠背鋼管底部和邊板與椅架 的螺栓孔處。最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠背鋼管底部，最大值為275mpa座椅靠背鋼管材 料所采用的是q235碳素鋼，屈服強(qiáng)度為235mpao在上述載荷的作用下，整個(gè) 鋼制座椅骨架的最大應(yīng)力超過了材料的屈服極限，可能導(dǎo)致塑性變形。contour plot 的斜05 syswmj el arrant stre&gqc (2d &z7506*02213

16、9<021 833*o21.52£021 mo?0101-6112e»o1-305cft0i-ooocc.otjmac=2 750e-w<2dio?870)min=0 0orf*oo(?d167?o)n»2me-1 $?<r -t nn - w-owae>?mm(a)瘞椅總成應(yīng)力云圖<b)靠背圓鋼管局部應(yīng)力云圖圖3.10鋼制座椅總成等效應(yīng)力公圖；5rw :？01i繩兀叩門他心廠門曲8廠fry 心3 ires mil3(«f-00"伽 z002dfig.3.10 sialic strength result of s

17、teel seal帕 gw4e> ：1ekrwnl 3” w <20 6 rbv6*w9 "心 oat 2we*o31 !0>f>d7r 3>re»oii wgoi5 0u>»00.筑 ：nr-oooa«*)gc2»?b)(a)座椅總成應(yīng)力云圖(b)椅架局部應(yīng)力云圖圖3.12鋁合金座椅總成應(yīng)力云圖fig.3.12 static strength result of aluminum alloy seal圖3.12為按照gb 13057-2003對(duì)鋁合金座椅hl=0.7m加載點(diǎn)施加1000n向 前的載荷后，座椅

18、骨架的應(yīng)力分布圖。由圖中可以看出，座椅整體的應(yīng)力分布對(duì) 稱，與鋼制座椅基本相同。座椅在承受以上載荷作用時(shí)，應(yīng)力較大的部位主要集 中在靠背與邊板連接孔處和邊板與椅架的螺栓孔處。最大應(yīng)力出現(xiàn)在邊板與椅架的螺栓孔處，最大值為165mpa o座椅邊板材料為6061鋁合金，其屈服強(qiáng)度為 240mpao所以鋁合金座椅骨架的最大應(yīng)力沒有超過了材料的屈服極限，仍處于 彈性變形范圍內(nèi)。3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化由3.1節(jié)中鋼制座椅總成靜強(qiáng)度分析可知，座椅靠背鋼管與拉臂處的應(yīng) 力過大，超過了 q235碳素鋼的屈服極限，故而要對(duì)靠背圓鋼管進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)以 滿足強(qiáng)度要求。這里要求在不增加靠背鋼管重量的前提下，對(duì)靠背鋼管進(jìn)行結(jié)構(gòu) 改

19、進(jìn)，滿足國標(biāo)中的靜強(qiáng)度要求，這也是輕量化設(shè)計(jì)的一種形式。根據(jù)理論利用慣性矩來抵抗撓曲截面的靠背鋼管，若將圓形管設(shè)計(jì)成橢圓形, 則可利用橢圓長(zhǎng)軸部分較大的。本節(jié)分別設(shè)計(jì)一款圓形截面靠背鋼管，及兩款不 同橢圓形3種鋼管截面的面積相等，尺寸如圖3.15所示八(b)橢圓a型(c)橢圓b型圖3.15不同截浙形狀靠背岡鋼管(a)圓形(原設(shè)計(jì))fig.3.15 different sectional shape of the seat hack steel pipes- mqx-00 «vmtmx】ad>ni4x*ni ic3s«oj mttos7c-> ooeoe-oe &

20、#169;g 88，：805ii< a) | 形<b> ffi|3 a 型' (c)橢圓b型圖3.163種方案應(yīng)力分布圖fig.3.16 static stress results of three designs由模擬結(jié)果叫知，3種方案最大應(yīng)力均出現(xiàn)在靠背末端約束處，與買際相符。 橢圓a型鋼管的最大應(yīng)力為225mpa,小于q235的屈服強(qiáng)度235mpa,滿足國標(biāo) 要求，而圓形鋼管最大應(yīng)力為257mpa,橢圓b型鋼管為278 mpa，均不滿足國 標(biāo)要求，模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。從位移云圖3.16上可以看出，圓形 管的最大位移為7.66mm,橢圓a型的最大位移為5

21、.16mm,橢圓b型為13.44mmo 由模擬分析結(jié)果可知橢圓a型鋼管的強(qiáng)度和剛度最大。所以推薦廠家選用橢圓a 型鋼管。根據(jù)以上設(shè)計(jì)尺寸及有限元仿真結(jié)果，經(jīng)查gb30942000(冷拔界形鋼 管國家標(biāo)準(zhǔn)60,推薦選購a=34mm, b=17mm, t=2mm的橢圓形鋼管。由鋁合金座椅骨架總成的靜強(qiáng)度分析可知，雖然鋁合金座椅骨架滿足國標(biāo)對(duì) 應(yīng)的靜強(qiáng)度要求，但是從整體上看，應(yīng)力分布并不均勻，多集中在各零部件之間 的連接處，其他部位的這種應(yīng)力冗余造成了很大的材料浪費(fèi)，所以有必要對(duì)其進(jìn) 行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)以數(shù)學(xué)規(guī)劃為理論基礎(chǔ)，將設(shè)計(jì)問題的物理模型轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型, 運(yùn)用最優(yōu)化數(shù)學(xué)理論，以計(jì)算機(jī)

22、和應(yīng)用軟件為工具，在充分考率多種設(shè)計(jì)約束 的前提下，尋求滿足預(yù)定目標(biāo)的最佳設(shè)計(jì)。拓?fù)鋬?yōu)化是一種數(shù)學(xué)方法，能在給定的空間結(jié)構(gòu)中牛成優(yōu)化的形狀和結(jié)構(gòu)分 布。我們就是要利用拓?fù)鋬?yōu)化的方法，在給定的約束條件下，利用optistruct中 的最優(yōu)化與近似法更改材料的分布，以優(yōu)化應(yīng)力的分布，得到最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，同 時(shí)也實(shí)現(xiàn)了座椅輕量化的r的。rl boogoqi-bjxe-c1 jlooeolc -xs 015-xe-c1 4 500e01 3km)01 2 3xe4ii i z00e 01 1 000642iui«i dooe>00(20 7631)l>r 1ow6-02qd5w)contour plot (anatysis sntem)eiemom dons 饑包l encxw-1.0doe*0di-0.9doeo1-7.8