第二学期机械优化

1、课程（类）试卷2 0 1 4 /2 0 1 5 学年第 一 学期课程名称：最优化方法课程代码：22000124：学号：147611491学院：机械汽车座椅椅背优化设计摘要：本文以板管结构汽车座椅椅背骨架为研究对象，建立简化结构三维模型；利用有限元分析HyperWorks，以应变能最小为目标，以体积分数为约束条件，运用 OptiStruct 求解器对设计模型进行拓扑优化；对拓扑形态进行分析，提出不同的设计方案，建立对应的三维模型；利用OptiStruct 求解器对各方案模型以及原模型进行处理和静力分析，得到应力、位移云图以及质量与应变能的力学性能数值；将各个参数与原模型分析结果进行对比，得到最优

2、设计方案。优化结果表明，在刚度指标满足设计要求的条件下，优化后的座椅椅背质量比原方案降低了 12.4%，结构的位移比原方案下降 29.5%，应变能比原方案下降 17.4%，应力也有所改善，取得了较好的轻量化效果。研究表明，采用结构拓扑优化技术到符合结构力学性能的轻量化结构，是提高汽车结构的经济行和安全性的有效设计。：汽车座椅 板管结构 拓扑优化 静力分析Mechanicsysis and Optimization design f Plate tubestructure for Car SeatAbstract:This text based on the Plate-tube structu

3、re of automobile seat back frame as the research object,building a simplified structure 3D m. Using finite elementysis software HyperWorks, and takingthe minimum mass as the goal, and the volume fraction of the strain energy and the stress and the massfraction of variables as constras as constracond

4、itions, using the OptiStruct solver to do topologyoptimization of the simplified m. Comparing the various parameters betn new plans and theoriginal m, obtained the best design. The results showt, on the condition of design requirementabout the rigidity standard, the quality of the optimized seat bac

5、k reduce by 10%, and at the same time, thedisplacement and strain energy decreased by 29.5% and 17.4% respectively, and the stresse better aswell. Research showst structure topology optimization techniques can get lightweight constructionagreement with the structural mechanical performance, is effec

6、tive design means to improve economy andsafety of the vehicle structureKeywords： Car Seat, Plate-tube structure, Topological Optimization, Sicysis引言现代科技使诞生百年的汽车座椅发生了根本性的变化，随着汽车的发展和人们要求的不断提高，汽车座椅已不是单纯满足乘坐和美观需要的车身，而是关系到汽车的乘坐舒适性和安全性，集人机工程学、舒适性、安全性为一体的系统工程产品。应当看到，在经济全球化进程加快、汽车制造市场竞争激烈的今天，座椅制造技术愈来愈先进，我国的

7、座椅制造业在迎接发展机遇的同时，也着巨大的。一方面，市场经济的发展使供求关系发生了变化，已经由卖方市场逐渐向买方市场转变，这就要求企业不断开发新产品，满足客户的不同需要；另一方面，国际、国内市场的接轨，也向座椅生产企业提出了许多新的课题。研制和生产结构合理、性能优越、质量可靠、安全舒适的座椅，成为各汽车座椅生产企业在市场竞争中取胜的关键。因此在设计中开展座椅结构的计算工作，在满足结构强度和刚度的前提下，合理地进行结构设计，以达到轻量化的目的，对座椅优化设计具有重要意义。此外，为了保持产品创新，加速企业的新产品开发，进一步提高产品的性能和科技含量，可以利用 CAE对现有的座椅进行结构强度、刚度分

8、析计算和相应结构改进的分析研究工作，为新型座椅的研制开发提供借鉴和校核方法1。本课题就是在上述背景下，目的在于重新设计座椅椅背板管结构布局使之受力合理。在确保座椅强度、刚度的前提下，减轻座椅骨架的质量，进而减少钢材和燃油的消耗，使之发挥良好的经济和社会效益。1 汽车座椅椅背模型的建立汽车座椅系统是汽车内饰中重要之一，主要由头枕、靠背、发泡层、坐盆和座椅调节机构等组成，如图 1 示。金属骨架为整个座椅系统提供支撑作用，其质量占到座椅总成质量的 70%以上。它分为靠背骨架、坐盆骨架两部分，主要由钣金件冲压、焊接而成，然后通过螺栓直接固定或座椅调节机构固定在车身上。汽车在发生碰撞事故中，金属骨架可以

9、有效吸收冲击能量与载荷，起到关键的保护乘员的关键作用，因此，金属骨架的强度特性是座椅设计过程中最为2。本文研究的是板管结构汽车座椅椅背，如图 2 所示，有限元模型如图 3 所示。该结构椅背主要由管材与钣金焊接而成，椅背与坐垫骨架通过铰链连接，安全带通过卡扣与椅背板管焊接在一起。钣金和管材的材料一般选用 Q 235，受力较大的连接板应选用强度更好的板材，如SAPH440等，并且应设计加强筋以增加其强度34。2 车座椅骨架的静力分析汽车座椅骨架的抗扭刚度和抗弯刚度是必须满足的基本性能之一。如果刚度，在安全带受力拉伸的过程中结构变形过大，尤其是安全带与座椅骨架的连接部位在突然刹车时乘客上模块的惯性引

10、起的拉力，引起座椅上部的受力变形，对乘客造成。因此，在设计过程中必须考虑板管结构汽车座椅的整体刚度和关键部位的变形量的控制。本文主要以板管结构座椅骨架为研究对象，在安全带静态拉伸工况下对板管座椅结构做静力分析5。如图 4 所示，某汽车座椅后排骨架在安全带静态拉伸工况下的有限元模型，板管座椅主要分为40%部分和 60%部分。40%部分结构简单；60%部分结构由多个管件组成，结构复杂，且在此工况下是座椅主要受力部分，故板管结构骨架的概念设计将 60%部分提出单独进行静力分析，如图 5。本文中椅背骨架的钢板和全部选用材料为钢Q235，材料参数见表 1。表 1 材料属性表模拟原模型 60%部分安全带静

11、态拉伸工况，板下方左右两端与车身连接铰链处约束 X、Y、Z 方向移动度及 Y、Z 方向转动度，右端上方卡扣与车身连接铰链处约束 Y、Z 方向移动度及 X、Y、Z 方向转动度，并在安全带加载位置施加大小 1350N 方向 43的静载荷。创建载荷集安全带拉力和支座铰链约束，分别命名为 force 和 spc。静载荷和约束位如图 6。对应的赋予其将边界条件 spc 和静载荷 force，并进行计算67。进行静力分析后得到的最大应力、位移、质量和应变能如表 2 所示，应力位移云图如图 7所示。表 2 原方案性能参数项目应变能（J）质量（kg）最大位移（mm）最大单元应力（MPa）原方案4.360054

12、9.6674214.19777.8名称材料弹性模量（E/GPa）泊松比(NU)密度(g/cm3)钢板Q2352100.37.8Q2352100.37.8依据应力云图显示，原方案安全带受力后变形最大的区域集中在骨架的左上角，最大位移为1.419mm，从大到小呈扇形发散。分析其原因主要为骨架受力位置在上部偏左，而固定约束位置在左下、右下和右上三个位置，左上没有约束，导致该处受力后的位移最大。依据应力云图显示，原方案安全带受力后单元应力明显的区域主要分布在右上方卡扣孔、长管右上部和左管下部，最大单元应力分布在卡扣孔左侧。针对右上方卡扣处最大单元应力集中，通过分析可以发现这里的最大单元应力显示的单元并

13、不是实际存在的，在原结构当中该处存在卡扣与连接在一起，力通过管和卡扣分散后传递到座椅骨架上，但是在该有限元模型当中管与板直接通过刚性连接，导致出现应力集中的假象，如图 8、图 9 所示。3.座椅骨架的拓扑优化在本文中，概念设计根据原模型的几何尺寸进行模型的简化，通过对简化模型在给定的设计空间找到最优材料分布的拓扑优化设计得到一个性能高于原模型的新模型89。拓扑优化技术是在给定的设计空间内寻求最佳的材料分布，在第二章已经确定了设计区域为骨架 60%的板，尺寸依据原模型将原模型 60%部分提出建立静力分析模型等效安全带静态拉伸工况，板下方左右两端与车身连接处约束 X、Y、Z 方向移动度及 Y、Z

14、方向转动度，右端上方与车身连接处约束 Y、Z 方向移动度及 X、Y、Z 方向转动度，并在安全带加载位置施加大小1350N 方向 43的静载荷。约束位置及度、加载点位置及大小均与原模型中等效。板管结构骨架主要是有板、压延筋及管组成，考虑到概念设计的理念，将板管结构简化成一块平板进行设计。根据原模型工况建立简化模型有限元模型，如图 10 所示，几何尺寸与原模型 60%板几何尺寸相同，约束位置及度、加载点位置及大小均与原模型中一致。原结构的简化有限元模型主要包括四个零件，分别为简化后的平面钢板、卡扣和左右支座，其中卡扣和左右支座从原有座椅模型中直接提取后导入，无需抽中面和网格划分操作。模拟原模型 6

15、0%部分安全带静态拉伸工况，板下方左右两端与车身连接铰链处约束 X、Y、Z 方向移动度及 Y、Z 方向转动度，右端上方与车身连接铰链处约束 Y、Z 方向移动度及 X、Y、Z 方向转动度，并在安全带加载位置施加大小 1350N 方向 43的静载荷。创建两个载荷集安全带拉力和支座铰链约束，分别命名为 force 和 spc。静载荷和约束位如图 11。拓扑优化设计的意义是在满足材料减少量的同时，得到最大的结构刚度，其中以体积分数为约束条件，控制优化后的剩余体积；以应变能为目标函数，在剩余体积一定的情况下使应变能最小10。优化数学模型如下：Min：US.T.：V/V00.5式中：U 为应变能；V 为构

16、件优化后的体积；V0 为构件优化前的体积。（3-1）拓扑优化是一个迭代的过程，从预先定义的材料分布开始，在多次迭代后，当材料趋于稳定后体积达到原设计空间体积的 50%时优化即结束。在中对设计空间进行分析，分析中体积共迭代 12 次，稳定后体积达到原设计空间体积的50%，得出椅背骨架 50%钢板的拓扑形态，如图 12 所示，根据拓扑形态的材料分布可知实体为近似R 形分布，为新方案的设计提供了依据11。4. 座椅骨架的方案设计参考原模型由板和管组成板管结构，结合拓扑优化云图在简化模型的基础上进行新模型的建立，得到新方案，其中考虑与原模型部分参数一致性，各方案椅背钢板与原模型保持一致，则根据长度、形

17、状、直径不同分不同的方案。在拓扑形态当中，红色为材料最多的部分，蓝色是没有材料的部分，然后由红至蓝材料逐渐从最多变为无。新方案的设计主要依据是拓扑形态的质量分布，同时保证椅背钢板的尺寸与简化模型、原模型保持一致，的尺寸和位置保证与安全带卡扣、座椅底部支座、座椅右上部支架能够模拟原模型进行装配。依据拓扑形态材料的R 形分布，对管的布局进行设计1213。本文进行了六种不同的方案设计，建立各个方案的模型并分别对其进行处理和静力分析，得到应力、位移云图以及质量与应变能的数，将各个方案性能数据与原模型分析结果进行对比从而选择最优方案，表 3、表 4 所示。表 3 设计方案与原模型对比方案模型位移云图应力

18、云图原模型方案一方案二方案三方案四方案五方案六表 4 各方案性能数据对比汇总表通过对比各方案性能数据，方案二骨架质量减少量最大，方案一、六骨架刚度提高量最大，考虑本概念设计以改变骨架性能的同时轻量化为主，方案二质量减少的最多，且骨架刚度提高、最大位移减少量提高及单元最大应力也有所降低，另外，方案二零件少，便于加工和焊接，所以综合来讲方案三在六个方案中是最好的，即最优方案为方案二。5 结论本文结合国内某企业的轿车后排座椅的实际项目，通过利用三维建模SolidWorks、有限元HyperWorks 和 OptiStruct 求解器对板管结构汽车座椅椅背骨架完成计算机辅助设计。本文完成的主要工作内容

19、及相应结论如下：(1) 通过查阅相关国内外文献，叙述了座椅骨架的结构与分类，介绍了有限元法理论、有限元HyperWorks 和 OptiStruct 求解器，详细介绍了板管结构座椅椅背有限元模型的建立过程，分析轿车的后排座椅结构特点，在网格剖分和单元类型选择、材料特性和物理属性的定义、连接关系的模拟和简化、边界条件的确定和载荷的施加等方面介绍了有限元模型的建立过程，利用OptiStruct 求解器对椅背骨架简化模型进行了静态分析，得到了原方案板管结构椅背骨架的应力、位移云图和质量、应变能的数据，确定原方案有轻量化设计空间。项目应变能（J）/变化率质量（KG）/变化率最大位移（mm）/变化率最大

20、单元应力（MPa）/变化率原方案4.3600549.6674214.19777.8方案一3.351102/23.1%8.80444/8.9%9.600/32.4%1137/46.2%方案二3.660924/16.0%8.47483/12.3%10.023/29.4%1058/36%方案三3.388572/22.3%8.76518/9.3%9.561/53.8%1187/52.6%方案四3.698513/15.2%8.74642/9.5%10.006/29.5%1296/66.7%方案五3.371202/22.7%8.75433/9.4%8.988/36.7%946.2/21.7%方案六3.35

21、1702/23.1%8.80553/8.9%8.923/37.1%1227/57.8%(2) 利用 HyperWorks建立板管结构汽车座椅椅背的有限元模型，根据概念设计的理论方法，模拟安全带拉伸工况，利用变密度法的拓扑优化设计方法对座椅骨架进行优化设计，得到骨架的拓扑形态。根据拓扑形态的材料分布，设计出了六种板管排布方案。(3) 对六种新方案板管结构建立有限元模型，利用 OptiStruct 求解器对新方案椅背骨架有限元模型进行了静态分析，对结果进行分析对比，选出最佳方案为方案二，该方案中板管结构座椅骨架质量降低了 12.4%，其他性能也有所提高，达到了轻量化设计的目标。参考文献1月，.我国大中型客车行业现状J. 客车技术， 2000，6（4）：1.5.2.基于有限元法的汽车座椅静强度分析和结构