CN101807226B - 轿车座椅靠背侧板优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轿车座椅靠背侧板优化设计方法，包括三个设计阶段，具体步骤是：1.基于人机工程学设计方法的轿车座椅靠背侧板前曲线形状优化设计，2.基于结构形状优化设计方法的轿车座椅靠背侧板的后曲线形状优化设计，3.基于结构拓扑优化设计方法的轿车座椅靠背侧板表面压延筋的形貌优化设计。本发明首先针对轿车座椅的舒适性要求，基于人机工程学设计方法对轿车座椅靠背侧板的前曲线形状进行合理的设计；然后针对轿车座椅的可靠性及经济性要求，采用结构优化设计方法分别设计座椅靠背侧板的后曲线形状及表面压延筋的分布。因此在设计中综合考虑了强度、稳定性、舒适性及经济性的因素，得到性能最优的靠背侧板结构。

Description

轿车座椅靠背侧板优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种轿车座椅靠背侧板的设计方法，尤其是一种针对轿车座椅的可靠性、舒适性和轻量化要求进行优化设计的方法。

背景技术

轿车座椅是由座椅骨架，泡沫和蒙皮组合构成，其可靠性、舒适性和经济性主要取决于内部骨架结构。座椅靠背侧板是座椅靠背的两侧边板，正常行驶时它是支撑乘客上身质量的主要构件，而受到碰撞冲击时又是承受人体对座椅骨架冲击的主要构件，因此座椅骨架的失效经常发生在侧板上，合理地设计侧板的结构形状非常重要。目前，对于轿车座椅靠背侧板的设计一般以静强度作为设计准则，即满足结构的最大应力小于材料的许用应力，而对于侧板形状的设计往往依赖于设计人员的经验和主观判断。事实上在受到碰撞冲击时侧板往往由于局部屈曲而失效。因此在设计中应综合考虑强度、稳定性、舒适性及经济性的因素，才能得到性能最优的靠背侧板结构。

发明内容

本发明是要提供一种轿车座椅靠背侧板优化设计方法，该方法由三个设计阶段组成，分别针对轿车座椅的可靠性，舒适性和轻量化要求进行设计。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种轿车座椅靠背侧板优化设计方法，将设计过程分为三个阶段进行，分别以座椅靠背侧板的前曲线、后曲线及表面压延筋形貌为设计对象，并在各阶段中分别采用人机工程学设计方法、结构形状优化设计方法及结构拓扑优化设计方法，以合理的坐姿体压分布、结构质量最小及稳定性最好为设计目标，综合考虑座椅的舒适性、可靠性和经济性；具体步骤如下：

1.基于人机工程学设计方法的轿车座椅靠背侧板前曲线形状优化设计

(1)根据GB1000-1988“中国成年人人体尺寸”，取轿车座椅靠背侧板高度为H，根据座椅靠背上下横梁尺寸分别确定轿车座椅靠背侧板上部宽度h1和根部宽度h2；

(2)根据人体脊柱形状确定轿车座椅靠背侧板前曲线的基本形状，在轿车座椅靠背侧板前曲线上均匀的取若干点，其中，包括肩靠和腰靠点；

(3)根据座椅靠背两点支承要求，调整轿车座椅靠背侧板前曲线上肩靠和腰靠点的位置，使此处承受压力；根据坐姿体压分布要求，调整除肩靠和腰靠点以外的其它点的位置，使座椅靠背上的体压分布从肩靠和腰靠点到其它部位按从大到小过渡；采用样条曲线连接各点，所得曲线即为所求的满足人机工程学设计要求的座椅靠背侧板前曲线；

2.基于结构形状优化设计方法的轿车座椅靠背侧板的后曲线形状优化设计

以轿车座椅靠背侧板质量最小为设计目标，以结构静强度和稳定性为约束条件，对靠背侧板后曲线形状进行优化设计，数学模型由式(1)表示：

Min     W

S·t·  λ₁≥[λ]

        σ_max≤[σ]                 (1)

式中，W为轿车座椅靠背侧板的质量，λ1为最小屈曲特征值，[λ]为许用屈曲特征值，σmax为最大应力，[σ]为材料的许用应力；

3.基于结构拓扑优化设计方法的轿车座椅靠背侧板表面压延筋的形貌优化设计

以侧板结构的稳定性为设计目标，以压延筋的基本尺寸：宽度，高度为设计变量，采用式(2)的优化模型优化得到最佳的轿车座椅侧板压延筋形；

Max    λ₁                (2)

式中，λ1为最小屈曲特征值。

本发明的有益效果是：本发明由三个设计阶段组成，首先针对轿车座椅的舒适性要求，基于人机工程学设计方法对轿车座椅靠背侧板的前曲线形状进行合理的设计；然后针对轿车座椅的可靠性及经济性要求，采用结构优化设计方法分别设计座椅靠背侧板的后曲线形状及表面压延筋的分布。因此在设计中综合考虑了强度、稳定性、舒适性及经济性的因素，得到性能最优的靠背侧板结构。应用例的优化过程前后结构的性能比较列于表4中，由表4可知侧板减重22.38％，最小屈曲因子提高121.86％。

附图说明

图1是本发明的优化设计过程框图；

图2是脊柱的形状及组成示意图；

图3是轿车座椅靠背侧板设计阶段二的初始模型示意图，其中：h1是轿车座椅靠背侧板根部宽度，h2是轿车座椅靠背侧板上部宽度，H是轿车座椅靠背侧板高度；

图4是轿车座椅靠背侧板前曲线形状优化设计结果图；

图5是轿车座椅靠背侧板后曲线形状优化设计结果图；

图6是轿车座椅靠背侧板表面压延筋形貌优化设计结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的轿车座椅靠背侧板优化设计方法，流程如图1所示，由三个设计阶段组成，首先针对轿车座椅的舒适性要求，基于人机工程学设计方法对轿车座椅靠背侧板的前曲线形状进行合理的设计；然后针对轿车座椅的可靠性及经济性要求，采用结构优化设计方法分别设计座椅靠背侧板的后曲线形状及表面压延筋的分布。

1.基于人机工程学设计方法的轿车座椅靠背侧板的前曲线形状优化设计

为了满足轿车座椅设计的舒适性要求，需保证腰弧曲线的正常形状和合理的坐姿体压分布。人体正常腰弧曲线是松弛状态下侧卧的曲线，为使坐姿下腰弧曲线变形最小，座椅应在腰椎部提供所谓两点支承。根据人体脊柱特点(见图2)，第一支承应位于第5-6胸椎之间，称其为肩靠；第二支承应位于第4-5腰椎之间，称其为腰靠。人体的质量在靠背和坐垫上的压力分布称为坐姿的体压分布，根据人机工程学研究，最舒适的坐姿体压分布应保证人体的大部分质量应以较大的支承面积、较小的单位压力合理地分布到坐垫和靠背上；压力分布应从小到大平滑地过渡，避免突变。

轿车座椅的舒适性主要决定于座椅骨架的前曲线形状。根据以上设计准则，本发明提出的轿车座椅靠背侧板前曲线的设计如下：

(1)根据GB1000-1988“中国成年人人体尺寸”，取轿车座椅靠背侧板高度为H，根据座椅靠背上下横梁尺寸分别确定轿车座椅靠背侧板上部宽度h1和根部宽度h2(见图3)。

(2)根据人体脊柱形状确定轿车座椅靠背侧板前曲线的基本形状。在轿车座椅靠背侧板前曲线上均匀的取若干点(包括肩靠和腰靠点)。

(3)根据座椅靠背两点支承要求，调整轿车座椅靠背侧板前曲线上肩靠和腰靠点的位置，使此处承受较大压力。根据坐姿体压分布要求，调整除肩靠和腰靠点以外的其它点的位置，使座椅靠背上的体压分布从肩靠和腰靠点到其它部位按从大到小过渡。为保证轿车座椅靠背侧板前曲线的光顺性，采用样条曲线连接各点，所得曲线即为所求的满足人机工程学设计要求的座椅靠背侧板前曲线。

2.基于结构形状优化设计方法的轿车座椅靠背侧板的后曲线形状优化设计

以轿车座椅靠背侧板质量最小为设计目标，以结构静强度和稳定性为约束条件，对靠背侧板后曲线形状进行优化设计，数学模型由式(1)表示。具体做法是，在轿车座椅靠背侧板的后曲线上均匀的取若干个点，以这些点的坐标为形状设计变量，如图3所示。采用有限元分析及优化设计方法可得到座椅靠背侧板的后曲线最优形状。

Min     W

S·t·  λ₁≥[λ]

        σ_max≤[σ]          (1)

式中，W为轿车座椅靠背侧板的质量，λ1为最小屈曲特征值，[λ]为许用屈曲特征值，σmax为最大应力，[σ]为材料的许用应力。

3.基于结构拓扑优化设计方法的轿车座椅靠背侧板表面压延筋的形貌优化设计

板壳结构表面上的压延筋对提高结构的刚度和稳定性有着较大的作用，合理的压延筋分布及形状是板壳结构压延筋设计的关键。以结构的稳定性为设计目标，以压延筋的基本尺寸(宽度，高度)为设计变量，采用式(2)的优化模型优化可得到最佳的轿车座椅侧板压延筋形态。

Max    λ₁              (2)

式中，λ1为最小屈曲特征值。

应用例：

以下以某型家用轿车的前排座椅为例，说明本发明的适用性。

1.根据人机工程学设计方法得到轿车座椅靠背侧板的前曲线。

根据GB1000-1988“中国成年人人体尺寸”，取轿车座椅靠背侧板高度H为550mm，根据座椅靠背上下横梁尺寸分别确定轿车座椅靠背侧板上部宽度h1为27mm和根部宽度h2为85。在轿车座椅靠背侧板前曲线上均匀的取10点(包括肩靠和腰靠点，见图4)。根据座椅靠背两点支承要求，调整轿车座椅靠背侧板前曲线上肩靠和腰靠点的位置，使此处承受较大压力。根据坐姿体压分布要求，调整除肩靠和腰靠点以外的其它点的位置，使座椅靠背上的体压分布从肩靠和腰靠点到其它部位按从大到小过渡。为保证轿车座椅靠背侧板前曲线的光顺性，采用样条曲线连接各点，如图4所得曲线即为所求。

2.轿车座椅靠背侧板后曲线的形状优化。

如图3所示，在轿车座椅靠背侧板的后曲线上均匀的取4点称为设计点，以此4点的y坐标的变动为设计变量。为确保轿车座椅靠背侧板后曲线的光顺性，设计点的位置变动不宜过大，这里4个设计点的y坐标变动在-15mm到30mm之间。材料的许用应力[σ]为210MPa，许用屈曲特征值[λ]为优化前结构的1.05倍。轿车座椅靠背侧板后曲线的形状优化结果如图5所示，优化结果列于表1最后一行。形状优化前后结构的性能比较列于表2中，相对于优化前，形状优化后结构重量减轻25.37％，而屈曲因子则增加21.46％，同时侧板上的应力分布更均匀。可见，通过轿车座椅靠背侧板后曲线的形状优化，结构更轻，稳定性更高，应力分布更均匀。

表1设计点变动区间及优化结果

表2形状优化前后结构性能比较

3.轿车座椅靠背侧板表面压延筋的形貌优化。

考虑结构的形状和尺寸，必须限制压延筋的最小宽度，最大高度和拔模角度。轿车座椅靠背侧板表面上的压延筋最小宽度，最大高度和拔模角度约束分别设为10mm，8mm和60°。轿车座椅靠背侧板表面压延筋的形貌优化结果如图6所示。形貌优化前后结构的性能比较列于表3中，相对于优化前，形貌优化后结构屈曲因子增加82.67％，质量略有增加。通过轿车座椅靠背侧板表面压延筋的形貌优化，结构稳定性得到大幅度提高。

表3形貌优化前后结构性能比较

整个优化过程前后结构的性能比较列于表4中，由表4可知侧板减重22.38％，最小屈曲因子提高121.86％。

表4优化前后结构性能比较

Claims (1)

1.一种轿车座椅靠背侧板优化设计方法，其特征在于：具体步骤如下：

1)轿车座椅靠背侧板的前曲线形状设计

(1)根据GB1000-1988“中国成年人人体尺寸”，取轿车座椅靠背侧板高度为H，根据座椅靠背上下横梁尺寸分别确定轿车座椅靠背侧板上部宽度h1和根部宽度h2；

(2)根据人体脊柱形状确定轿车座椅靠背侧板前曲线的基本形状，在轿车座椅靠背侧板前曲线上均匀的取若干点，其中包括肩靠和腰靠点；

(3)根据座椅靠背两点支承要求，调整轿车座椅靠背侧板前曲线上肩靠和腰靠点的位置，使此处承受压力；根据坐姿体压分布要求，调整除肩靠和腰靠点以外的其它点的位置，使座椅靠背上的体压分布从肩靠和腰靠点到其它部位按从大到小过渡；采用样条曲线连接各点，所得曲线即为轿车座椅靠背侧板前曲线；

2)基于结构形状优化设计方法的轿车座椅靠背侧板的后曲线形状优化设计

以轿车座椅靠背侧板质量最小为设计目标，以结构静强度和稳定性为约束条件，对靠背侧板后曲线形状进行优化设计，数学模型由式(1)表示：

Min       W

S·t·    λ₁≥[λ]

          σ_max≤[σ]                (1)

式中，W为轿车座椅靠背侧板的质量，λ₁为最小屈曲特征值，[λ]为许用屈曲特征值，σ_max为最大应力，[σ]为材料的许用应力；具体做法是，在轿车座椅靠背侧板上均匀的取若干个点，以这些点的坐标为形状设计变量，采用有限元分析及优化设计方法可得到座椅靠背侧板的后曲线最优形状；

3)基于结构拓扑优化设计方法的轿车座椅靠背侧板表面压延筋的形貌优化设计

以侧板结构的稳定性为设计目标，以压延筋的基本尺寸：宽度，高度为设计变量，采用式(2)的优化模型优化得到最佳的轿车座椅侧板压延筋形；

Max    λ₁        (2)

式中，λ1为最小屈曲特征值。

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