汽车座椅轻量化结构设计及成形工艺优化

1、西南交通大学汽车座椅轻量化强度分析及结构设计优化学院：材料科学与工程专业： 材料加工姓名：李康宁学 号：20152009912016年5月目录1.1引言31.2轻量化技术的实现413研究内容52.1原制钢制座椅分析52.2铝合金座椅骨架分析63.1座椅总成静强度有限元分析7123.2结构优化10结论汽车座椅轻量化强度分析及结构设计优化1.1引言随着汽车总保有量和新增量的不断增加，汽车耗油量及汽车二氧化碳、 有害气体及颗粒的排放量也在快速增加。在能源日益紧缺，环境日益恶化的今天, 这种矛盾己成为制约汽车产业可持续发展的突出问题。面对能源危机和低碳环保 的巨大压力，解决这一矛盾最有效、最现实的方法

2、之一，也是当今世界汽车工业 发展的潮流，就是实现汽车的轻量化。汽车的轻量化就是在保证整车强度和刚度的前提下，通过结构的轻量化设计 及轻量化材料的使用，达到减轻整车质量的目的。此举可以有效降低二氧化碳等 有害气体及颗粒的排放，提高燃油经济性，因此，汽车轻量化是现代汽车设计的 主流。总体来说，轻量化的发展主要有3个方向:一是利用cae有限元分析优化 整车骨架及各零部件结构，二是釆用各类轻量化材料，三是采用新的成形工艺方 法。目前普遍应用的轻量化材料一类是高强度钢板，另一类就是轻金属材料如镁、 铝合金，塑料及碳纤维材料等;新的成形方法主要有液压成形、激光拼焊板成形， 及针对金属材料开发的半固态成形、

3、各种压力成形、粉末冶金等。轻质材料铝合金在汽车上的应用发展迅速。铝是仅次于氧和硅，在地壳中含 量最高的金属元素z-o与其他金属材料相比，铝合金的密度小，只有钢铁的 1/3左右;比强度高，是优质的结构件材料，能以较小的截面积抵抗载荷;抗冲击 性能好，大大提高了汽车的安全性能;吸噪能力强，可以降低发动机及其他部件 噪音，提高舒适性;另外其加工性能也较好，可采用多种加工方式;铝合金极高的 再回收，再生性极大的降低了材料的浪费，减少了回收利用的成本，提高综合经 济性。铝及铝合金是最早用于汽车制造的轻质金属材料，也是工程材料屮最经济 实用、最有竞争力的汽车用轻金属材料，从生产成本、零件质量、材料利用率等

4、 方面看，具有多种优势，成为汽车轻量化材料的不二选择。1.2轻量化技术的实现总的来说，实现汽车轻量化主要有2种途径:一是利用有限元方法，拓扑优 化方法改进汽车整车结构及零部件结构，实现结构件材料分布最优化;二是利用 各种轻量化材料，包括高强度钢板材料和轻质材料。 结构轻量化设计就是是利用有限元法和现代优化设计方法进行结构分析 和结构优化，以减轻汽车车身、各零部件如发动机、承载件件和内饰件的重量。 结构优化设计即在保证产品达到某些性能目标（如强度、刚度）并满足一定约束条 件的前提下，改变某些设计变量，使结构的重量最轻，这不但节省了材料，也便 于运输和安装。优化设计以数学规划为理论基础，将设计问题

5、的物理模型转换成 数学模型，运用最优化数学理论，以计算机和商业软件为优化工具，在充分考虑 多种约束的前提下满足设计目标的最佳设计方案。有限元法在结构设计中被广泛 使用，它可以使任何复杂的工程问题，简化为有限元模型进行分析研究。fi前广 泛使用的结构优化工具altair optistruct,以有限元法为基础，提供拓扑优化、尺 寸优化、形貌优化、自由形状优化等多种优化方法，可以对汽车车架结构及各零 部件结构进行分析和优化。在有效满足设计功能及外型要求的前提下，先经过概 念设计在到详细设计，寻找设计区域最优的材料分，使得结构最轻，性能化，大 大提高设计效率最佳，尽可能使零部件屮空化、薄壁化、小型化

6、。 汽车轻量化材料主要有两人类:一类是具有较低低密度的轻质材料，诸如 铝合金、镁合金、钦合金、塑料和复合材料等;另一类是高强度材料，如高强度 钢板，超高强度钢板等。目前，汽车轻量化主要以汽车轻量化材料为主要实现途径。汽车制造工业中 已大量应用的轻量化材料主要有高强度钢、铝合金、镁合金和塑料、碳纤维、树 脂基复合材料等。汽车轻量化材料的研发和选用需考虑的因素有:一是具有较小 的密度、较高强度的轻质材料，像铝合金、镁合金、塑料类材料、各种复合材料; 二是在同样密度和弹性模量下而比强度高、工艺性能好的材料，这种材料做成的 结构件可以采用较小的截面抵抗较大的载荷;三是基于新型材料成形技术的轻量 化结构

7、材料，如金属基复合材料板激光焊接板材、连续挤压变截而铝合金型材、 适合各种精密铸造成形的铸造铝合金材料等。方案和二是通过更换汽车零部件材料种类来实现轻量化目的，方案三是通过采用新型材料结合先进成形技术来达 到轻量化。在各轻质材料屮，铝合金材料在汽车上的应用尤为显著，一些非金属 材料的比例也逐步增加。13研究内容本文结合安徽省佳运车辆零部件有限责任公司的轻合金座椅开发项h而展 开，以582型客车座椅的冲压钢制骨架为基体，依据gb 13057 - 2003的法规要 求对钢制座椅和铝合金座椅骨架进行静强度仿真分析，根据仿真结果对座椅结构 进行了进一步的结构优化。利用procast铸造仿真软件对铝合金

8、座椅靠背骨架的 低压成形工艺进行了一系列优化。2.1原制钢制座椅分析传统的客车座椅骨架多以冲压钢板(管)焊接而成，因此往往重量比较大。若 能将铝合金应用于汽车座椅骨架，那么轻量化效果是很明显的，尤其对于4060 座的商务车和大型客车。木节在详细分析原钢制座椅骨架，比较和研究了各种轻 合金特性、经济性及生产制造工艺的基础上，确定了铝合金代替q235钢设计生 产汽车座椅骨架的可行性,并利用proe软件对铝合金座椅进行了几何模型设计。 为新型铝合金汽车座椅的前期设计开发打下了技术基础，并对铝合金向其他汽车 零部件的推广应用起到良好的借鉴作用。<a) iebff(b)侧而图2.1原钢制座椅图fi

9、g21 original steel seat frame图2.1为安徽省佳运车辆零部件有限责任公司提供的582型小商务客车座椅 骨架。主体骨架均采用q235a碳素钢材质，重量较大，不符合现代汽车业对轻 量化的要求。由图可以看出，座椅骨架由多个零部件焊接而成，焊缝较多，制造 工艺繁琐，外观比较粗糙。其次，钢制座椅表面容易生锈，钢铁材料易被氧化和 腐蚀；且钢铁材料回收再利用的难度大，成本高，回收利用率低造成材料浪费, 经济性较低，不符合低碳环保的要求。另外，钢制座椅在降噪，弹性方而不及铝 合金，舒适性差。钢制骨架零部件多，总重量较大。其主要的结构件有:靠背圆 钢管、加强扁钢、拉臂、边板、椅架方管

10、、椅脚固定钢。相应的厚度如表2.1所 zj o表2.1原设计方案主耍钢板件厚度tab.2.1 thickness of steel panels骨架结构件名称厚度/mm靠背圆钢管4>25x2加强扁钢3左及右拉臂4左及右边板3前及后椅架方管40x20x2椅脚固定钢4靠背圆钢管先采用圆锯床进行下料工序，再在折弯机上利用模具进行轧弯 成形。加强扁钢起加强靠背的支撑作用，是用剪切机剪切成形的。拉臂、边板及 椅脚固定钢均采用模具冲压成形。最后将这些零部件一一焊接或螺栓连接，组装 起来构成汽车座椅骨架总成。此座椅加工工序繁琐，劳动强度人，耗时长ii工作 环境相对恶劣，需模具数量多，加工成木较高。2.

11、2铝合金座椅骨架分析釆用铝合金代替原q235钢设计制造汽车座椅骨架，这是采用轻质材料实现 汽车座椅轻量化的一个代表，它的优势主要体现在：(1) 大大减轻了座椅的重量，使大型客车整车质量下降，提高燃油经济性， 且铝合金座椅减震效果好，提高了乘坐舒适性。(2) 采用铸造铝合金整体式零部件，能够有效减少零件的数量，明显减少了 零件焊点数量，焊接应力减小，座椅的总成静强度提高。另外装配工序减少，降低了制造成本。(3) 采用低压铸造成形工艺，能有效提高材料利用率。另外，压力下充型平 稳可控，铸件组织致密，具有良好的综合机械性能。低压铸造件还可热处理强化， 进一步提高铸件的强度。汽车座椅轻量化设计，作为汽

12、车轻量化的一部分，在国际汽车行业内的发展 迅速，但是我国在这一方而起步较晚，技术还不成熟，所以利用有限元等先进手 段进行镁铝合金在汽车座椅零部件上的应用研究，具有广阔的前景和极高的工程 应用价值。参考原钢制座椅结构外形尺寸并依据客车座椅外形尺寸相关国家标准要求, 决定新型铝合金座椅靠背的高为660mm,宽为385mm。靠背曲线的设计大致符 合人体背部优化曲线，其平而图如图2.4所示。(a)主视图(b)侧视图图2.4铝合金靠背平面图fig.2.4 2d drawing of aluminum alloy seat back3.1座椅总成静强度有限元分析在对座椅进行有限元模拟分析时没有必要建立所有

13、零部件的有限元模 型。应根据各零部件对座椅强度的影响程度大小对零件进行取舍，如靠背骨架中 的横竖钢丝、调节气弹簧，座建骨架中的部分位置调节装置等都不需耍建立其几 何模型。另外座椅表面的皮套及泡棉等覆盖物对外部载荷的分配很少，且为非线性材料，如果考虑其结构进行有限元分析，不仅加大了工作量，而且会造成模拟 结果的不准确。所以，对于泡棉和皮套在有限元建模时不予考虑，这样不仅会大 大提高工作效率，而且提高了分析结果的精度。依据以上几何建模和有限元建模原则，我们将原钢制座椅分解为4部分:座 椅靠背，拉臂，边板及椅架，如图3.2所示。新型铝合金座椅分为3大部分:座椅 靠背，边板及椅架。如图3.3所示。图3

14、.2原钢制座椅f架几何模型fig.3.2 original steel seat frame图3.3铝介金座椅丹架几何模型fig.3.3 aluminum alloy seal frame根据有限元建模的原则和方法，图3.8和图3.9所示分别为钢制座椅和新型铝合金座椅骨架的有限元模型。图3.8钢制座榆骨架有限元模型fig.3.8 finite element model of steel seal framem 3.9铝合金座椅秤架有限元模型fig.3.9 finite element model of steel seat frame图3.10为按照gb 13057-2003对钢制座椅hl=

15、0.7m加载点施加1000n向前的载荷后，座椅骨架的应力分布图。由图中可以看出，由于座椅整体为对称结构，加载的力又处于对称中心线上，所以在承受载荷后座椅两边的应力分布基木相同。座椅在承受以上载荷时，应力较大的部位主要集中在靠背钢管底部和边板与椅架 的螺栓孔处。最大应力出现在靠背钢管底部，最大值为275mpa座椅靠背钢管材 料所采用的是q235碳素钢，屈服强度为235mpao在上述载荷的作用下，整个 钢制座椅骨架的最大应力超过了材料的屈服极限，可能导致塑性变形。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)瘗椅总成应力云图<b)靠背圆钢管局部应力云图图3.10钢制座椅总成等效应力公图；5rw :？01i绳兀叩门他心厂门曲8厂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)座椅总成应力云图(b)椅架局部应力云图图3.12铝合金座椅总成应力云图fig.3.12 static strength result of aluminum alloy seal图3.12为按照gb 13057-2003对铝合金座椅hl=0.7m加载点施加1000n向 前的载荷后，座椅

18、骨架的应力分布图。由图中可以看出，座椅整体的应力分布对 称，与钢制座椅基本相同。座椅在承受以上载荷作用时，应力较大的部位主要集 中在靠背与边板连接孔处和边板与椅架的螺栓孔处。最大应力出现在边板与椅架的螺栓孔处，最大值为165mpa o座椅边板材料为6061铝合金，其屈服强度为 240mpao所以铝合金座椅骨架的最大应力没有超过了材料的屈服极限，仍处于 弹性变形范围内。3.2结构优化由3.1节中钢制座椅总成静强度分析可知，座椅靠背钢管与拉臂处的应 力过大，超过了 q235碳素钢的屈服极限，故而要对靠背圆钢管进行结构改进以 满足强度要求。这里要求在不增加靠背钢管重量的前提下，对靠背钢管进行结构 改

19、进，满足国标中的静强度要求，这也是轻量化设计的一种形式。根据理论利用惯性矩來抵抗挠曲截面的靠背钢管，若将圆形管设计成椭圆形, 则可利用椭圆长轴部分较大的。本节分别设计一款圆形截面靠背钢管，及两款不 同椭圆形3种钢管截面的面积相等，尺寸如图3.15所示八(b)椭圆a型(c)椭圆b型图3.15不同截浙形状靠背岡钢管(a)圆形(原设计)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)椭圆b型图3.163种方案应力分布图fig.3.16 static stress results of three designs由模拟结果叫知，3种方案最大应力均出现在靠背末端约束处，与买际相符。 椭圆a型钢管的最大应力为225mpa,小于q235的屈服强度235mpa,满足国标 要求，而圆形钢管最大应力为257mpa,椭圆b型钢管为278 mpa，均不满足国 标要求，模拟结果与理论计算结果相吻合。从位移云图3.16上可以看出，圆形 管的最大位移为7.66mm,椭圆a型的最大位移为5

21、.16mm,椭圆b型为13.44mmo 由模拟分析结果可知椭圆a型钢管的强度和刚度最大。所以推荐厂家选用椭圆a 型钢管。根据以上设计尺寸及有限元仿真结果，经查gb30942000(冷拔界形钢 管国家标准60,推荐选购a=34mm, b=17mm, t=2mm的椭圆形钢管。由铝合金座椅骨架总成的静强度分析可知，虽然铝合金座椅骨架满足国标对 应的静强度要求，但是从整体上看，应力分布并不均匀，多集中在各零部件之间 的连接处，其他部位的这种应力冗余造成了很大的材料浪费，所以有必要对其进 行进一步的优化设计。优化设计以数学规划为理论基础，将设计问题的物理模型转换为数学模型, 运用最优化数学理论，以计算机

22、和应用软件为工具，在充分考率多种设计约束 的前提下，寻求满足预定目标的最佳设计。拓扑优化是一种数学方法，能在给定的空间结构中牛成优化的形状和结构分 布。我们就是要利用拓扑优化的方法，在给定的约束条件下，利用optistruct中 的最优化与近似法更改材料的分布，以优化应力的分布，得到最优化的结构，同 时也实现了座椅轻量化的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 饥包l encxw-1.0doe*0di-0.9doeo1-7.8