「技术帖」基于拓扑优化的复合材料汽车座椅骨架设计

摘要： 为知足汽车座椅轻量化和安然性的需求，综合采纳轻量化材料和结构拓扑优化设计手艺，提出了一种碳纤维复合材料乘用车座椅设计编制。新型座椅骨架由碳纤维层合板外壳和短切碳纤维增强筋两部门组成。首先，为提高座椅结构刚度和不变性，操作结构拓扑优化手艺在碳纤维层合板外壳区域内安插合理的增强筋，然后，经由过程优化碳纤维层合板外壳，提高结构整体刚度，下降骨架质量。功能注解，与参考钢制骨架对比，新型座椅骨架不单整体刚度获得除夜幅晋升，而且质量削减了.，有显著的轻量化下场。 关头词：汽车座椅 碳纤维复合材料 优化设计 轻量化 今朝温室效应、能源危机及气象污染等全球化问题日趋严重，节能和环保成为世界列国首要的命题。在汽车实现节能减排的道路中，经由过程材料轻量化和结构优化设计手艺使汽车结构减重，是节能下场较好、等闲实现的有用手艺编制之一。 跟着人们安然意识的增强，汽车座椅安然性律例要求愈来愈严酷，传统的座椅骨架操作了较厚的高强度钢材，这样的设计当然能知足设计指标和安然需要，但造成了座椅结构质量除夜、能耗和碳排放量问题。采纳轻量化材料设计制造新型座椅骨架是解决今朝问题的有用手段。 、座椅结构及相关律例要求 . 传统座椅结构 今朝乘用车后排座椅多采纳钢制板管式骨架结构，如图所示，其工艺较为简单，由钣金件和管件焊接而成，经由过程管件在钣金件上的结构提高座椅骨架的整体刚度，质量一般在～ kg。 . 座椅律例要求 汽车碰撞后，骨架的过除夜变形和破损等闲造成乘员二次受伤，需经由过程相关尝试来验证座椅骨架的强度是不是知足律例要求。座椅安然律例繁多，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。图 座椅背板结构Fig. Seat back plate structure 后排座椅在正常操作时，组成行李舱的座椅靠背应具有足够的强度以呵护乘员不因行李的前移而遭到危险。遵循GB-附录F《行李位移乘员防护装配的考试考试编制》中的相关尝试划定，行李箱动态冲击尝试操作台车尝试台，在其上施加一个不小于g的水平纵向加速度。尝试顶用个质量为kg的刚性尝试样块来摹拟行李箱，结构如图所示。图 后排座椅行李箱碰撞工况Fig. Rear impact and luggage retention case图 座椅背板结构所受碰撞力Fig. Impact force on the seat back plate 、碳纤维座椅骨架结构设计 . 骨架概念设计图 有限元仿真模子Fig. Finite element simulation model . 工况设置 新建座椅骨架的几何尺寸和毗连编制与参考钢制座椅骨架不异。在坐椅下端与地板毗连位置束厄狭隘X，Y，Z标的方针的移动自由度和X，Z标的方针的动弹自由度。座椅侧面锁止位置束厄狭隘X，Y，Z标的方针的移动自由度，具体工况如图所示。图 工况示意图Fig. Diagram of the load condition 在行李箱撞击发生的对应位置用集中力摹拟气象。在设计中为保证结构的靠得住性，对除夜冲击载荷适度放除夜，载荷系数取.。在摹拟的工况中，对座椅靠背结构部门施加了 N的力，对座椅靠背结构部门施加了 N的力。 、座椅骨架结构的优化设计 座椅骨架结构整体的优化设计过程首要分为两个阶段:增强筋分布优化阶段和CFRP层合板优化阶段。 . 增强筋分布优化 首先操作拓扑优化的编制，在增强筋设计区域寻觅的增强筋安插方案，使有限的结构材料充实阐扬其力学机能。采纳基于各向同性材料的变密度法(SIMP)进行增强筋分布优化。 () 式中:Ee暗示优化后单元的弹性模量E暗示单元密度为时的弹性模量p为幂指数。 汽车座椅骨架的刚度特点是汽车座椅骨架设计的关头。因为柔度与刚度成倒数关系，以座椅结构整体柔度小为优化方针，可获得合适束厄狭隘前提下刚度除夜的结构。在拓扑优化中，对设计区域的体积进行必定的束厄狭隘，可以在下降骨架质量的同时，获得轻质高强的座椅骨架结构。拓扑优化数学模子为 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破损准则剖断参数，小于，暗示材料未发生破损，以保证在拓扑优化过程中CFRP层合板不被破损V为优化后增强筋分布区的体积V为优化前增强筋分布区的体积V为保留分数，设定为.dn为节点位移[dmax]为划定的节点位移上限。 考虑到拓扑形态对安插增强筋的参考意义，拓扑优化过程添加了拔模工艺束厄狭隘。图 拓扑优化迭代曲线Fig. Iteration curve of the topology optimization图 拓扑优化单元密度云图Fig. Element density contour of the topology optimization图 新建座椅几何模子Fig. New seat geometry model 对新建的座椅结构进行有限元分化，新建骨架质量为. kg，与拓扑优化功能略有不合，超越了原钢制骨架质量. kg。除夜位移为. mm，与原钢制骨架对比，整体刚度晋升很除夜，在刚度方面有较除夜的优化空间。可以对新骨架结构进行必定的优化，以求下降质量，达到轻量化的设计要求。 . CFRP层合板优化 碳纤维复合材料结构的力学机能取决于层合板的力学机能和几何结构，层合板设计是复合材料设计为首要的环节。在设计中需要遵守一些设计原则。 因为CFRP层合板框架为新座椅骨架的首要承力构件，在该阶段中，对新建的座椅骨架进行CFRP层合板优化，可以在下降质量的同时，提高结构的整体刚度。 CFRP层合板优化首要由个优化过程组成。从层合板的各角度铺层厚度、铺层数目、铺层顺次等方面将优化过程分为自由尺寸优化、铺层厚度离散优化、叠层顺次优化这步。 .. 自由尺寸优化 因为复合材料具有正交各向异性的材料特点，不合角度铺层的受力气象不合，是以，为使复合材料层合板结构中各铺层阐扬其除夜功能，有需要对各铺层的排布位置及厚度进行优化排布。 自由尺寸优化的首要方针是在知足座椅骨架结构刚度的前提下，求得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次为[°°-°-°]，每层厚度均为 mm。自由尺寸优化数学模子为 式中:T为层合板的总厚度Tmin，Tmax分袂为层合板厚度的小与除夜限制值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所示，新骨架质量减为. kg，除夜位移为. mm，新骨架的质量和刚度都获得改良。 .. 铺层厚度离散优化图 优化后各铺层的厚度分布云图Fig. Thickness distribution of each layer after optimization 层合板由众多单层板叠层组成。自由尺寸优化获得的铺层厚度是一系列不纪律的数值，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，以便于规模化的出产加工。这就需要对自由尺寸优化获得的各角度铺层板厚度进行离散化和圆整措置。 () 式中:Ni为各角度分层数目Ti为各角度铺层的厚度t为单层厚度。 CFRP单层厚度一般在.～. mm之间，本文t取. mm。离散优化后各角度铺层分层功能如表所示。表 各角度铺层的分层功能Tab. Distribution of layers with various angles ply 本步优化以质量小化为方针，在知足必定刚度的前提下，提高座椅的轻量化水平。优化后座椅骨架的质量降为. kg，除夜位移为. mm。 .. 叠层顺次优化 层合板顺次: 板铺层顺次: [±(±?)] 经由CFRP层合板三步优化往后，新建的座椅骨架的事实下场质量为. kg，除夜位移为. mm。 。 优化前后结构机能斗劲 在设定的工况下，各阶段座椅骨架机能功能如表所示。表 摹拟功能对比Tab. Comparison of simulation results 从刚度方面分化，复合材料层合板优化后，因为座椅结构中层合板质量削减，一些部位厚度变薄，使得座椅整体刚度与拓扑优化后的骨架结构对比有所下降，除夜位移由. mm增添到. mm，座椅骨架变形相对增除夜，但除夜位移仍然小于参考钢制骨架，整体刚度知足要求。从质量方面分化，拓扑优化后的座椅骨架当然在刚度方面获得显著晋升，但其质量与参考钢制骨架对比有所增添，而层合板优化后骨架在刚度知足的同时，质量获得较着改良。综合考虑，层合板优化后骨架机能，事实下场的新型轻量化骨架达到设计要求。 、结论来历：《上海理工除夜学学报》：白煜、丁晓红