汽車座椅輕量化結構設計及成形工藝優(yōu)化

1、西南交通大學汽車座椅輕量化強度分析及結構設計優(yōu)化學院：材料科學與工程專業(yè)： 材料加工姓名：李康寧學 號：20152009912016年5月目錄1.1引言31.2輕量化技術的實現(xiàn)413研究內容52.1原制鋼制座椅分析52.2鋁合金座椅骨架分析63.1座椅總成靜強度有限元分析7123.2結構優(yōu)化10結論汽車座椅輕量化強度分析及結構設計優(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。面對能源危機和低碳環(huán)保 的巨大壓力，解決這一矛盾最有效、最現(xiàn)實的方法

2、之一，也是當今世界汽車工業(yè) 發(fā)展的潮流，就是實現(xiàn)汽車的輕量化。汽車的輕量化就是在保證整車強度和剛度的前提下，通過結構的輕量化設計 及輕量化材料的使用，達到減輕整車質量的目的。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)濟性，因此，汽車輕量化是現(xiàn)代汽車設計的 主流?？傮w來說，輕量化的發(fā)展主要有3個方向:一是利用cae有限元分析優(yōu)化 整車骨架及各零部件結構，二是釆用各類輕量化材料，三是采用新的成形工藝方 法。目前普遍應用的輕量化材料一類是高強度鋼板，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。輕質材料鋁合金在汽車上的應用發(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;比強度高，是優(yōu)質的結構件材料，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，可以降低發(fā)動機及其他部件 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，減少了回收利用的成本，提高綜合經(jīng) 濟性。鋁及鋁合金是最早用于汽車制造的輕質金屬材料，也是工程材料屮最經(jīng)濟 實用、最有競爭力的汽車用輕金屬材料，從生產(chǎn)成本、零件質量、材料利用率等

4、 方面看，具有多種優(yōu)勢，成為汽車輕量化材料的不二選擇。1.2輕量化技術的實現(xiàn)總的來說，實現(xiàn)汽車輕量化主要有2種途徑:一是利用有限元方法，拓撲優(yōu) 化方法改進汽車整車結構及零部件結構，實現(xiàn)結構件材料分布最優(yōu)化;二是利用 各種輕量化材料，包括高強度鋼板材料和輕質材料。 結構輕量化設計就是是利用有限元法和現(xiàn)代優(yōu)化設計方法進行結構分析 和結構優(yōu)化，以減輕汽車車身、各零部件如發(fā)動機、承載件件和內飾件的重量。 結構優(yōu)化設計即在保證產(chǎn)品達到某些性能目標（如強度、剛度）并滿足一定約束條 件的前提下，改變某些設計變量，使結構的重量最輕，這不但節(jié)省了材料，也便 于運輸和安裝。優(yōu)化設計以數(shù)學規(guī)劃為理論基礎，將設計問題

5、的物理模型轉換成 數(shù)學模型，運用最優(yōu)化數(shù)學理論，以計算機和商業(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計目標的最佳設計方案。有限元法在結構設計中被廣泛 使用，它可以使任何復雜的工程問題，簡化為有限元模型進行分析研究。fi前廣 泛使用的結構優(yōu)化工具altair optistruct,以有限元法為基礎，提供拓撲優(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，可以對汽車車架結構及各零 部件結構進行分析和優(yōu)化。在有效滿足設計功能及外型要求的前提下，先經(jīng)過概 念設計在到詳細設計，尋找設計區(qū)域最優(yōu)的材料分，使得結構最輕，性能化，大 大提高設計效率最佳，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材料，諸如 鋁合金、鎂合金、欽合金、塑料和復合材料等;另一類是高強度材料，如高強度 鋼板，超高強度鋼板等。目前，汽車輕量化主要以汽車輕量化材料為主要實現(xiàn)途徑。汽車制造工業(yè)中 已大量應用的輕量化材料主要有高強度鋼、鋁合金、鎂合金和塑料、碳纖維、樹 脂基復合材料等。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、較高強度的輕質材料，像鋁合金、鎂合金、塑料類材料、各種復合材料; 二是在同樣密度和彈性模量下而比強度高、工藝性能好的材料，這種材料做成的 結構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的輕量 化結構

7、材料，如金屬基復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現(xiàn)輕量化目的，方案三是通過采用新型材料結合先進成形技術來達 到輕量化。在各輕質材料屮，鋁合金材料在汽車上的應用尤為顯著，一些非金屬 材料的比例也逐步增加。13研究內容本文結合安徽省佳運車輛零部件有限責任公司的輕合金座椅開發(fā)項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 求對鋼制座椅和鋁合金座椅骨架進行靜強度仿真分析，根據(jù)仿真結果對座椅結構 進行了進一步的結構優(yōu)化。利用procast鑄造仿真軟件對鋁合金

8、座椅靠背骨架的 低壓成形工藝進行了一系列優(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 能將鋁合金應用于汽車座椅骨架，那么輕量化效果是很明顯的，尤其對于4060 座的商務車和大型客車。木節(jié)在詳細分析原鋼制座椅骨架，比較和研究了各種輕 合金特性、經(jīng)濟性及生產(chǎn)制造工藝的基礎上，確定了鋁合金代替q235鋼設計生 產(chǎn)汽車座椅骨架的可行性,并利用proe軟件對鋁合金座椅進行了幾何模型設計。 為新型鋁合金汽車座椅的前期設計開發(fā)打下了技術基礎，并對鋁合金向其他汽車 零部件的推廣應用起到良好的借鑒作用。<a) iebff(b)側而圖2.1原鋼制座椅圖fi

9、g21 original steel seat frame圖2.1為安徽省佳運車輛零部件有限責任公司提供的582型小商務客車座椅 骨架。主體骨架均采用q235a碳素鋼材質，重量較大，不符合現(xiàn)代汽車業(yè)對輕 量化的要求。由圖可以看出，座椅骨架由多個零部件焊接而成，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, 經(jīng)濟性較低，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。其主要的結構件有:靠背圓 鋼管、加強扁鋼、拉臂、邊板、椅架方管

10、、椅腳固定鋼。相應的厚度如表2.1所 zj o表2.1原設計方案主耍鋼板件厚度tab.2.1 thickness of steel panels骨架結構件名稱厚度/mm靠背圓鋼管4>25x2加強扁鋼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行下料工序，再在折彎機上利用模具進行軋彎 成形。加強扁鋼起加強靠背的支撐作用，是用剪切機剪切成形的。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 起來構成汽車座椅骨架總成。此座椅加工工序繁瑣，勞動強度人，耗時長ii工作 環(huán)境相對惡劣，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鋼設計制造汽車座椅骨架，這是采用輕質材料實現(xiàn) 汽車座椅輕量化的一個代表，它的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：(1) 大大減輕了座椅的重量，使大型客車整車質量下降，提高燃油經(jīng)濟性， 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 零件焊點數(shù)量，焊接應力減小，座椅的總成靜強度提高。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，具有良好的綜合機械性能。低壓鑄造件還可熱處理強化， 進一步提高鑄件的強度。汽車座椅輕量化設計，作為汽

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

13、零部件的有限元模 型。應根據(jù)各零部件對座椅強度的影響程度大小對零件進行取舍，如靠背骨架中 的橫豎鋼絲、調節(jié)氣彈簧，座建骨架中的部分位置調節(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外部載荷的分配很少，且為非線性材料，如果考慮其結構進行有限元分析，不僅加大了工作量，而且會造成模擬 結果的不準確。所以，對于泡棉和皮套在有限元建模時不予考慮，這樣不僅會大 大提高工作效率，而且提高了分析結果的精度。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對鋼制座椅hl=

15、0.7m加載點施加1000n向前的載荷后，座椅骨架的應力分布圖。由圖中可以看出，由于座椅整體為對稱結構，加載的力又處于對稱中心線上，所以在承受載荷后座椅兩邊的應力分布基木相同。座椅在承受以上載荷時，應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，屈服強度為235mpao在上述載荷的作用下，整個 鋼制座椅骨架的最大應力超過了材料的屈服極限，可能導致塑性變形。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)瘞椅總成應力云圖<b)靠背圓鋼管局部應力云圖圖3.10鋼制座椅總成等效應力公圖；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)座椅總成應力云圖(b)椅架局部應力云圖圖3.12鋁合金座椅總成應力云圖fig.3.12 static strength result of aluminum alloy seal圖3.12為按照gb 13057-2003對鋁合金座椅hl=0.7m加載點施加1000n向 前的載荷后，座椅

18、骨架的應力分布圖。由圖中可以看出，座椅整體的應力分布對 稱，與鋼制座椅基本相同。座椅在承受以上載荷作用時，應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，其屈服強度為 240mpao所以鋁合金座椅骨架的最大應力沒有超過了材料的屈服極限，仍處于 彈性變形范圍內。3.2結構優(yōu)化由3.1節(jié)中鋼制座椅總成靜強度分析可知，座椅靠背鋼管與拉臂處的應 力過大，超過了 q235碳素鋼的屈服極限，故而要對靠背圓鋼管進行結構改進以 滿足強度要求。這里要求在不增加靠背鋼管重量的前提下，對靠背鋼管進行結構 改

19、進，滿足國標中的靜強度要求，這也是輕量化設計的一種形式。根據(jù)理論利用慣性矩來抵抗撓曲截面的靠背鋼管，若將圓形管設計成橢圓形, 則可利用橢圓長軸部分較大的。本節(jié)分別設計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(原設計)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種方案應力分布圖fig.3.16 static stress results of three designs由模擬結果叫知，3種方案最大應力均出現(xiàn)在靠背末端約束處，與買際相符。 橢圓a型鋼管的最大應力為225mpa,小于q235的屈服強度235mpa,滿足國標 要求，而圓形鋼管最大應力為257mpa,橢圓b型鋼管為278 mpa，均不滿足國 標要求，模擬結果與理論計算結果相吻合。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 由模擬分析結果可知橢圓a型鋼管的強度和剛度最大。所以推薦廠家選用橢圓a 型鋼管。根據(jù)以上設計尺寸及有限元仿真結果，經(jīng)查gb30942000(冷拔界形鋼 管國家標準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度分析可知，雖然鋁合金座椅骨架滿足國標對 應的靜強度要求，但是從整體上看，應力分布并不均勻，多集中在各零部件之間 的連接處，其他部位的這種應力冗余造成了很大的材料浪費，所以有必要對其進 行進一步的優(yōu)化設計。優(yōu)化設計以數(shù)學規(guī)劃為理論基礎，將設計問題的物理模型轉換為數(shù)學模型, 運用最優(yōu)化數(shù)學理論，以計算機

22、和應用軟件為工具，在充分考率多種設計約束 的前提下，尋求滿足預定目標的最佳設計。拓撲優(yōu)化是一種數(shù)學方法，能在給定的空間結構中牛成優(yōu)化的形狀和結構分 布。我們就是要利用拓撲優(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)化應力的分布，得到最優(yōu)化的結構，同 時也實現(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