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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-10-08 13:11
摘 要: 座椅是汽車內(nèi)飾件中質(zhì)量較重的一部分,座椅骨架的輕量化設(shè)計(jì)可以有效地降低座椅整體質(zhì)量,提高汽車整體性能.本文利用CATIA 軟件對某乘用車前排座椅骨架進(jìn)行幾何建模,建立座椅骨架的有限元模型,并基于國家標(biāo)準(zhǔn)GB 15083—2006 對座椅骨架模型進(jìn)行有限元分析.然后利用相對密度法的拓?fù)鋬?yōu)化模型對座椅骨架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),以體積約束下的最小結(jié)構(gòu)柔度為優(yōu)化目標(biāo),通過ABAQUS 軟件中的TOSCA 模塊對座椅骨架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,將優(yōu)化后的座椅骨架結(jié)構(gòu)在ABAQUS 中進(jìn)行靜力學(xué)分析.結(jié)果顯示,在滿足座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的情況下,座椅骨架減輕了0.584 kg,減重約4%,實(shí)現(xiàn)了座椅輕量化的效果.
關(guān)鍵詞: 前排座椅骨架;輕量化;拓?fù)鋬?yōu)化;有限元分析
汽車的輕量化技術(shù)主要是指在不改變汽車原有整體性能下,以輕量化為目標(biāo)對汽車部件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化.新型材料的應(yīng)用對汽車輕量化有著至關(guān)重要的影響,汽車的輕量化無論是在環(huán)境保護(hù)還是提高汽車整體安全性方面都有重要意義.相關(guān)研究資料表明: 汽車減少10%整車質(zhì)量,即可提高6%～8%燃油效率.同時(shí),汽車整體質(zhì)量的減少也能在一定程度上減輕乘客在碰撞過程中受到的傷害[1].座椅是汽車駕駛室的重要組成部件,也是主要的安全部件[2].汽車座椅作為直接和人體接觸的內(nèi)飾件,對乘客乘坐的舒適性和安全性起著至關(guān)重要的作用.但傳統(tǒng)座椅設(shè)計(jì)在充分考慮座椅安全性的同時(shí),往往忽略了座椅整體質(zhì)量的優(yōu)化,從而使座椅比較沉重.為更好地提高汽車的整體性能,在保證座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的情況下,座椅減重變得尤為重要.
1、 研究現(xiàn)狀
對于汽車座椅骨架方面的研究,王淑芬等[3]根據(jù)人體工程學(xué)的要求,對座椅進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,結(jié)果表明,優(yōu)化后的座椅質(zhì)量減輕了20%.張光亞等[4]基于拓?fù)鋬?yōu)化理論對后排座椅進(jìn)行優(yōu)化,并應(yīng)用高強(qiáng)度材料,最終使座椅總質(zhì)量降低了2.585 kg.白煜等[5]提出了一種碳纖維復(fù)合材料座椅骨架的設(shè)計(jì)方法,利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)合理布置加強(qiáng)筋,最后達(dá)到提高座椅剛度和降低座椅質(zhì)量的效果.張志飛等[6]對座椅骨架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化,并建立移動(dòng)最小二乘法模型,利用多目標(biāo)遺傳算法對模型進(jìn)行求解,優(yōu)化后的座椅骨架質(zhì)量下降了5.7%.Oliveira 等[7]對汽車座椅骨架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,并利用仿真軟件和試驗(yàn)驗(yàn)證,在滿足座椅強(qiáng)度要求下,使汽車座椅整體質(zhì)量明顯下降,實(shí)現(xiàn)座椅輕量化.黃政平等[8]對汽車后排座椅骨架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì),最后在提高座椅骨架剛度的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了座椅骨架輕量化.劉博勛等[9]應(yīng)用試驗(yàn)優(yōu)化方法,以座椅零件的板厚和材料為設(shè)計(jì)變量,同時(shí)建立相應(yīng)Kriging 模型,并基于此模型使用遺傳算法對座椅進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),對比原始模型后,驗(yàn)證了輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的有效性.孟禮等[10]分別采用模態(tài)分析、形貌優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化的方法逐步對座椅模型進(jìn)行優(yōu)化;在不增加座椅質(zhì)量的前提下,對部分零件材料進(jìn)行替換,最后使座椅質(zhì)量下降了0.31 kg.上述研究主要針對后排座椅背板或前排座椅骨架質(zhì)量較大的整體部分進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,但未考慮座椅骨架等其他重要零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì).
本文在對座椅骨架進(jìn)行多方面考慮的基礎(chǔ)上,結(jié)合乘用車座椅骨架上其他質(zhì)量較大且比較重要的零部件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì).論文以某車型上的前排座椅骨架為研究對象,采用拓?fù)鋬?yōu)化方法,在保證座椅整體和靠背靜強(qiáng)度工況下,分析座椅骨架的應(yīng)力和應(yīng)變情況,通過優(yōu)化得到材料的合理分布;然后在概念設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,對某些應(yīng)力和應(yīng)變較大區(qū)域應(yīng)用不同的高強(qiáng)度材料,最后用有限元仿真法對所設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證.
2、 拓?fù)鋬?yōu)化理論
2.1 輕量化的途徑
實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的方法一般會(huì)通過三種途徑:結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕量化材料的應(yīng)用和先進(jìn)的制造工藝,其中結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化材料在座椅輕量化設(shè)計(jì)中被更廣泛應(yīng)用.結(jié)構(gòu)優(yōu)化又分為拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化,其中拓?fù)鋬?yōu)化對于座椅的減重效果最為明顯,其主要是通過有限元分析及優(yōu)化算法進(jìn)行靜強(qiáng)度的計(jì)算與分析,在滿足座椅機(jī)構(gòu)強(qiáng)度和使用性能的情況下,盡可能地去除多余材料,合理化座椅在各種工況下的傳力路徑.
另一方面,汽車輕量化材料主要是高強(qiáng)度鋼,其抗拉強(qiáng)度是普通低碳鋼材2～3 倍,延展性能好,可軋制成很薄的鋼板,是輕量化的重要材料.另一類是輕質(zhì)材料,主要是鎂、鋁合金、碳纖維等復(fù)合材料.輕量化材料應(yīng)用對于汽車整體減重具有重要意義.
2.2 連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化的方法
拓?fù)鋬?yōu)化本質(zhì)上是在設(shè)計(jì)區(qū)間內(nèi)合理分布結(jié)構(gòu)材料,在約束條件下使結(jié)構(gòu)柔度和體積最小,或使響應(yīng)滿足一定要求的一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,是將有限元分析和優(yōu)化方法有機(jī)結(jié)合的新方法[11].拓?fù)鋬?yōu)化方法從其物理模型描述來說可分為基結(jié)構(gòu)法、均勻化方法、漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法、相對密度法,其相應(yīng)的優(yōu)化問題求解方法一般可分為序列線性規(guī)劃法、優(yōu)化準(zhǔn)則法、移動(dòng)漸進(jìn)法、序列二次規(guī)劃法等[12].
相對密度法是結(jié)構(gòu)優(yōu)化中一種有效的物理描述方法,受均勻化方法啟發(fā),其基本思想不是引入微結(jié)構(gòu),而是引入虛擬相對密度在0～1 之間的可變材料.它借鑒了均勻化方法的經(jīng)驗(yàn),直接假設(shè)設(shè)計(jì)材料的宏觀彈性常數(shù)及其密度的非線性關(guān)系.
設(shè)計(jì)變量如下:
密度和彈性矩陣如下:
式中: Ω 為設(shè)計(jì)區(qū)域;Ωs 為實(shí)體區(qū)域;Xi(x)為相對密度;ρ0、E0 分別為均質(zhì)實(shí)體的密度矩陣和彈性矩陣.
在實(shí)際問題中,很難求解這樣的離散變量.為解決此問題,引入連續(xù)函數(shù) ξ(x) (0 ≤ξ (x) ≤1)來代替離散函數(shù)X(x).但在優(yōu)化過程中,會(huì)生成0～1之間的很多單元,因?yàn)椴淮嬖诮橛谥虚g密度的材料,所以制造這種結(jié)構(gòu)非常困難,因此需要引入懲罰因子來抑制這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生.固體各項(xiàng)同性懲罰材料(Solid Isotropic Material with Penalization,SIMP)是在相對密度法基礎(chǔ)上提出的,其優(yōu)化過程中會(huì)根據(jù)單元相對密度大小決定單元是否存在.在引入懲罰因子后,能夠使單元相對密度趨近于0或1的兩端[13],從而盡可能地避免中間密度單元的產(chǎn)生,比起相對密度法消除棋盤格的現(xiàn)象,數(shù)值穩(wěn)定方面有很大提高[11].
基于SIMP 方法的拓?fù)鋬?yōu)化模型可廣泛應(yīng)用于各種性質(zhì)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件的場合,如最小柔度問題、最小質(zhì)量、最小體積等問題.
2.3 基于SIMP 材料插值的數(shù)學(xué)模型
以結(jié)構(gòu)最小柔度為目標(biāo)函數(shù),體積為約束的優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型如下:
式中: F、U 和K 分別為總載荷矩陣、位移矩陣和總剛度矩陣;ue、ke、k0 分別表示單元位移矩陣、優(yōu)化后單元?jiǎng)偠染仃嚭统跏紗卧獎(jiǎng)偠染仃?x 為相對密度,為防止奇異現(xiàn)象的發(fā)生,設(shè)置其最小值略大于0;N 為總單元數(shù);f 為體積分?jǐn)?shù);V 和V0分別指優(yōu)化后的材料體積和初始材料體積;p 為懲罰因子,通常取p=3 .
在優(yōu)化算法求解中,往往需要求解目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的敏度值,此時(shí)可使用柔度目標(biāo)函數(shù)和體積約束函數(shù)分別對設(shè)計(jì)變量求導(dǎo),由此得到敏度方程.
結(jié)構(gòu)柔度敏度方程為:
體積約束敏度方程為:
由目標(biāo)函數(shù)以及約束條件構(gòu)成的拉格朗日函數(shù)能夠推導(dǎo)出相應(yīng)優(yōu)化準(zhǔn)則法公式[12],由體積約束條件可求得拉格朗日因子.拉格朗日函數(shù)在滿足Kuhn-Tucker 的條件下構(gòu)造出迭代公式:
式中: η 為阻尼系數(shù),其作用是能夠保證數(shù)值計(jì)算趨于穩(wěn)定和收斂.其中
,為避免奇異,xmin 不能為零,一般取0.001.
在上述迭代過程中,不斷地更新設(shè)計(jì)變量xe,在約束條件下迭代結(jié)果不斷收斂,最后得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).
3、 座椅骨架有限元模型的建立與分析
3.1 建立模型
以某款汽車前排座椅為參照,使用CATIA 軟件建立座椅的幾何模型.因?yàn)樽喂羌艽蟛糠质怯赦k金件和管件組成,所以采用殼單元進(jìn)行仿真分析,其中懸掛彈簧和坐墊彈簧采用梁單元模擬,頭枕?xiàng)U采用實(shí)體單元模擬.結(jié)合座椅整體尺寸,采用平均5 mm 的網(wǎng)格單元,最小單元不小于2 mm,最大單元不大于10 mm,最后得到座椅有限元模型中,共有47 962 個(gè)單元,41 938 個(gè)節(jié)點(diǎn).座椅骨架幾何模型如圖1 所示.
圖1 座椅骨架幾何模型
實(shí)際座椅上零件一般都采用焊接和螺栓方式連接.模型中焊接采用spotweld的Rigid進(jìn)行剛性連接,螺栓采用connection of bolt 進(jìn)行連接,并對座椅骨架整體剛性影響不大的調(diào)高泵和調(diào)角器等部件進(jìn)行簡化,最終骨架的有限元模型如圖2 所示.
圖2 座椅骨架有限元模型
3.2 仿真分析
(1)根據(jù)國標(biāo)GB 15083—2006[14],在座椅總成靜強(qiáng)度分析時(shí),需要在座椅質(zhì)心處分別向前或向后施加20 倍座椅總質(zhì)量的重力載荷(20 Mg,其中,M 為座椅總質(zhì)量,g 為重力載荷),要求座椅和座椅安裝點(diǎn)應(yīng)能承受此載荷,不得發(fā)生座椅與固定點(diǎn)平面分離的情況.
(2)國標(biāo)GB 15083—2006 還規(guī)定在進(jìn)行座椅靠背強(qiáng)度分析時(shí),對座椅靠背施加相對于座椅R點(diǎn)大小為530 Nm 的載荷,座椅及座椅固定點(diǎn)需要能夠承受該載荷,而固定裝置、調(diào)節(jié)裝置、鎖止機(jī)構(gòu)不能打開[14].
對地板連接板和下滑軌后端孔處施加全約束,模擬座椅和車身連接,建立座椅靜強(qiáng)度工況下的有限元模型.通過Hypermesh 中post 面板summary工具找到座椅質(zhì)心(1.149 14E+03,-3.639 92E+02,2.093 47E+02),在質(zhì)心處分別加載向前或向后的3 900 N 載荷.座椅靠背在靜強(qiáng)度工況下,可以簡化為載荷力施加在靠背U 型管的集中點(diǎn)P 處,P 點(diǎn)與R 點(diǎn)的距離為609.285 mm,且P 點(diǎn)與R 點(diǎn)連成的直線與豎直方向夾角為37.515°,P 點(diǎn)和R 點(diǎn)的載荷加載情況和位置如圖3 所示.圖中對座椅靠背施加相對于座椅R 點(diǎn)大小為530 Nm 的載荷力,其等效為在P 點(diǎn)上施加向1 097 N 的水平力.
圖3 仿真模型的載荷加載
不同工況下的仿真結(jié)果如圖4 和圖5 所示.從仿真結(jié)果可見,座椅各零件應(yīng)力都沒有超過其屈服強(qiáng)度,頭枕?xiàng)U位移也均小于20 mm.座椅和靠背靜強(qiáng)度工況下的應(yīng)變分別為1.316E-03 和1.858E-03,均沒有超過0.2,由此可見,零件失效風(fēng)險(xiǎn)很小.
圖4 20 倍座椅質(zhì)量載荷下的結(jié)果圖
圖5 等效530 Nm 載荷 下的結(jié)果圖
3.3 座椅骨架主要部件的拓?fù)鋬?yōu)化
根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),座椅大部分部件的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度,所以可選取應(yīng)力較小的部件作為拓?fù)鋬?yōu)化主要對象.選取靠背側(cè)板、調(diào)角器連接板、靠背側(cè)板連接板、坐墊側(cè)板、滑軌支架作為拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)空間,以座椅整體最小應(yīng)變能作為優(yōu)化目標(biāo),同時(shí),零件體積為約束條件.
根據(jù)上文建立的拓?fù)鋬?yōu)化模型,對坐墊側(cè)板進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,約束體積分?jǐn)?shù)取0.7,利用ABAQUS的TOSCA 對座椅骨架進(jìn)行優(yōu)化,最小成員尺寸取10 mm.設(shè)置最小成員尺寸的目的是用來保證零件的可制造性,防止產(chǎn)生棋盤格現(xiàn)象[15].相應(yīng)的優(yōu)化迭代曲線如圖6 所示,由圖可見,座椅骨架的應(yīng)變能在拓?fù)鋬?yōu)化迭代過程中漸漸變小,逐漸趨于收斂狀態(tài).
圖6 目標(biāo)函數(shù)迭代曲線
由于拓?fù)鋬?yōu)化運(yùn)用SIMP 相對密度插值模型,其相對密度值0～1 從小到大也決定了材料存在的重要性,因此可去除相對密度0.3 以下的偽密度材料,并參考拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果去除不重要的單元材料.圖7 即為座椅坐墊側(cè)板拓?fù)鋬?yōu)化前后的對比.
圖7 坐墊側(cè)板拓?fù)鋬?yōu)化前后對比
圖8 為靠背側(cè)板拓?fù)鋬?yōu)化前后對比.在骨架靠背側(cè)板優(yōu)化過程,為保證側(cè)板部件在實(shí)際生產(chǎn)中的可制造性與其他零件的配合性,在優(yōu)化過程中將零件邊緣部分設(shè)置成為凍結(jié)區(qū)域.在去除優(yōu)化過程中相對密度低于0.3 的材料后,最終結(jié)果如圖8 所示.
圖8 靠背側(cè)板拓?fù)鋬?yōu)化前后對比
由于在仿真過程中發(fā)現(xiàn)滑軌連接支架的平均應(yīng)力值比較小,此時(shí)可盡量多地去除低密度材料.圖9(a)為經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化后,最后去除相對密度0.6以下材料后的結(jié)果.由于剩下密度材料比較少,實(shí)物制造也比較困難,因此最后簡化的實(shí)物如圖9(c)所示.
圖9 滑軌連接支架拓?fù)鋬?yōu)化前后對比
圖10為靠背側(cè)板連接板去除相對密度低于0.3材料后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),優(yōu)化后的實(shí)物如圖10(c)所示.
圖10 側(cè)板連接板優(yōu)化前后對比
以上是座椅骨架主要零部件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的方法和過程,此后則可根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果對零件實(shí)物進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).
4、 優(yōu)化結(jié)果分析
為保證優(yōu)化后的座椅骨架能夠滿足強(qiáng)度和剛度的要求,并且關(guān)鍵零件不能失效,不能有突出的尖點(diǎn),需要對優(yōu)化后的座椅骨架再一次進(jìn)行驗(yàn)證.根據(jù)上文載荷加載方式對模型進(jìn)行仿真分析,求解模型的應(yīng)變、應(yīng)力和變形.拓?fù)鋬?yōu)化后的有限元座椅骨架模型如圖11 所示.
圖11 拓?fù)鋬?yōu)化后的有限元模型
通過對拓?fù)鋬?yōu)化后的模型進(jìn)行分析,得到優(yōu)化后座椅最大應(yīng)變?yōu)?.079E-03,和輕量化前相比略有增大,但都小于0.2,說明零件失效風(fēng)險(xiǎn)較小.
經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化后得到座椅最大應(yīng)變?nèi)鐖D12 所示,優(yōu)化前后的部分零件相關(guān)應(yīng)力數(shù)據(jù)見表1.
表1 座椅骨架部分零件優(yōu)化前后應(yīng)力對比 MPa
圖12 拓?fù)鋬?yōu)化后座椅骨架最大應(yīng)變
由表1 可見,滑軌的連接支架優(yōu)化前后應(yīng)力值變化較大,優(yōu)化后應(yīng)力值為422.6 MPa,超過其材料屈服強(qiáng)度420 MPa,所以將滑軌連接支架原材料QSTE420TM 替換為S500MC.而其余零件優(yōu)化后應(yīng)力值均沒有超過材料的屈服強(qiáng)度.由于頭枕?xiàng)U位移量遠(yuǎn)小于危險(xiǎn)值(102 mm),因此優(yōu)化后增加的位移量可忽略不計(jì).
以座椅整體柔度最小為優(yōu)化目標(biāo),零件的體積為約束條件,通過對座椅零部件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,去除零件多余材料,拓?fù)鋬?yōu)化前后座椅骨架質(zhì)量減少了4%,頭枕位移增加了2.7%,結(jié)果均在安全要求范圍內(nèi),最終實(shí)現(xiàn)座椅骨架的輕量化.
5、 結(jié)論
針對某款汽車前排座椅進(jìn)行建模,并建立有限元模型,根據(jù)GB 15083—2006 對有限元模型進(jìn)行分析,并根據(jù)法規(guī)要求對模型設(shè)置約束、接觸和載荷條件,確定對座椅骨架質(zhì)量影響較大的座椅零部件.分析了采用SIMP 相對密度插值的拓?fù)鋬?yōu)化模型,以單元密度作為設(shè)計(jì)變量,結(jié)構(gòu)最小柔度為優(yōu)化目標(biāo),基于ABAQUS中TOSCA模塊對座椅骨架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化.最后在滿足座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度及各零部件都不失效情況下,座椅骨架質(zhì)量減少0.584 kg,取得了座椅輕量化的效果.
來源：期刊：《寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）》 作者：葛 孩1 ,李國平1* ,婁軍強(qiáng)1 ,熊文軍2 ,肖作華2（1.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院,浙江 寧波 315211: 2.浙江天成自控股份有限公司,浙江 臺(tái)州 317201）
來源：Internet
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