CN104166775A - 汽车座椅骨架的构件分布方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车座椅骨架的构件分布方法，包括：根据座椅骨架的设计要求建立设计模型，确定设计区域；根据所述设计区域和载荷工况建立所述汽车座椅骨架的有限元模型；采用变密度法对所述有限元模型进行拓扑优化设计，得到设计区域内的材料密度分布图；基于所述材料密度分布图布置所述汽车座椅骨架的管材结构件。采用对设计区域建立有限元模型得到合理的材料密度分布图，再根据材料密度法分布设置管材结构件，实现汽车座椅骨架在满足安全性的前提下，降低管材结构件的质量，提高管材结构件的刚度和强度。实现了汽车座椅骨架的轻量化设计，可以获得良好的经济性。

Description

汽车座椅骨架的构件分布方法

技术领域

本发明涉及产品的制作方法，尤指一种汽车座椅骨架的构件分布方法。

背景技术

汽车座椅骨架是汽车座椅的核心部件，为了保证乘员的安全，必须满足动静态强度和刚度的要求。同时，汽车座椅骨架是座椅质量的主要部分，合理的座椅骨架结构须在满足安全性的前提下尽量实现轻量化，以便获得良好的经济性。

要实现座椅骨架的轻量化设计，首先需合理地布置结构的材料。座椅骨架一般由板材结构件、管材结构件和连接件组成，在骨架靠背中，管材结构件是保证结构刚度和强度的主要承载件，因此需合理地布置管材结构件的位置。目前，对于结构件的布置一般根据经验进行设计，即根据经验判断结构的受力位置布置材料，设计结果很大程度上依赖于设计人员的经验和主观判断，这样的设计结果存在很大的改进空间。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种汽车座椅骨架的构件分布方法，解决现有汽车座椅骨架设计结构依赖于设计人员的经验和主观判断的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明一种汽车座椅骨架的构件分布方法，包括：

根据座椅骨架的设计要求建立设计模型，确定设计区域；

根据所述设计区域和载荷工况建立所述汽车座椅骨架的有限元模型；

采用变密度法对所述有限元模型进行拓扑优化设计，得到设计区域内的材料密度分布图；

基于所述材料密度分布图布置所述汽车座椅骨架的管材结构件。

采用对设计区域建立有限元模型得到合理的材料密度分布图，再根据材料密度分布图布置管材结构件，实现汽车座椅骨架在满足安全性的前提下，降低骨架结构的质量，提高骨架结构的刚度和强度。实现了汽车座椅骨架的轻量化设计，可以获得良好的经济性。通过结构拓扑优化设计，解决了现有技术中依赖设计人员的经验和主观判断，避免了经验和主观判断带来的误差，对汽车座椅骨架提出了合理且较佳地设计方法。

本发明汽车座椅骨架的构件分布方法的进一步改进在于，以所述汽车座椅骨架的结构应变能最小作为优化设计目标函数，以所述汽车座椅骨架的材料伪密度为设计变量，以所述汽车座椅骨架的体积作为约束条件，建立所述拓扑优化设计的数学模型为：

Min.U

S.T.：v/v₀＜μ

式中，U为应变能，v为构件优化后的体积；v₀为构件优化前的体积，μ为体积减小因子，μ＜1.0；

本发明汽车座椅骨架的构件分布方法的进一步改进在于，基于所述材料密度分布图布置所述汽车座椅骨架的管材结构件包括：

根据所述材料密度分布图建立所述汽车座椅骨架的有限元模型；

采用有限元分析方法，对设计后的新的有限元模型进行力学性能分析，并判断是否符合设计要求；

若符合设计要求，则得到具有最优管材结构布置的汽车座椅结构；否则调整μ值，重新进行设计。

附图说明

图1为本发明汽车座椅骨架的构件分布方法的流程图；

图2为汽车后排座椅模型的结构示意图；

图3为汽车后排座椅模型中选定设计区域的原模型结构示意图；

图4为选定汽车后排座椅模型中的设计区域；

图5为图4的材料密度分布图；

图6为根据图5设置管材结构件的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参阅图1，显示了本发明汽车座椅骨架的构件分布方法的流程图。本发明提供了一种汽车座椅骨架的构件分布方法，在汽车座椅骨架的原模型中选定设计区域，通过对选定的设计区域建立合理的有限元模型，采用变密度法对有限元模型进行拓扑优化，得到结构材料体积相比原结构小且结构刚度最大时的材料密度分布图，再根据材料密度分布图布置管材结构件。根据座椅骨架的材料性能再建立新的有限元模型，在给定的荷载工况条件下进行力学性能分析，若满足力学性能设计要求，则按照该结构有限元模型布置管材结构件，就得到了汽车座椅骨架，若不满足力学性能设计要求，则重新改变设计参数重新进行拓扑优化，直至满足力学性能设计要求为止。通过本发明汽车座椅骨架的构件分布方法，解决了现有的汽车座椅骨架设计结构依赖于设计人员的经验和主观判断的问题，避免了经验和主观判断的误差，为汽车座椅骨架轻量化设计提供方法，可以获得良好的经济性。下面结合附图对本发明汽车座椅骨架的构件分布方法进行说明。

参阅图1，显示了本发明汽车座椅骨架的构件分布方法的流程图。下面结合图1，对本发明汽车座椅骨架的构件分布方法进行说明。

如图1所示，本发明汽车座椅骨架的构件分布方法包括：

执行步骤S11，设定汽车座椅骨架的设计区域。首先，建立汽车座椅骨架的设计模型，在设计模型上选定汽车座椅骨架的设计区域，根据汽车座椅骨架的外形尺寸，汽车座椅骨架的受力结构，对设计区域进行选定。接着执行步骤S12。

执行步骤S12，根据设计区域及结构形式和载荷工况建立有限元模型。以汽车座椅骨架的结构形式、荷载工况和约束条件，建立合理的有限元模型。具体以汽车座椅骨架的结构应变能最小作为优化设计目标函数，以汽车座椅骨架的材料伪密度为设计变量，以汽车座椅骨架的体积作为约束条件，建立有限元模型的优化数学模型，以式(1)为优化数学模型，

Min.U

S.T.：v/v₀＜μ  (1)

式中，U为应变能，v为构件优化后的体积；v₀为构件优化前的体积，μ为体积减小因子，μ＜1.0。式(1)的含义是在材料体积减小到原结构体积的μ倍时，结构应变能最小，即刚度最大。接着执行步骤S13。

执行步骤S13，基于变密度法对有限元模型进行拓扑优化。变密度法是以材料的伪密度为设计变量，通过求解式(1)的数学模型，可得到结构应变能最小的结构材料密度分布图。接着执行步骤S14。

执行步骤S14，根据材料密度分布图建立管材结构件的新的有限元模型。接着执行步骤S15。

执行步骤S15，对新的有限元模型进行性能分析。在给定的载荷工况条件下进行力学性能分析，对建立的新的结构有限元模型进行力学性能分析，得到力学性能参数。接着执行步骤S16。

执行步骤S16，判断是否满足国家标准规定的座椅动静态性能的设计要求。对结构有限元模型的力学性能参数进行判断，将新的有限元模型与原始模型的力学性能比较，若满足要求，则执行步骤S17，若不满足要求，则执行步骤S13，重新进行拓扑优化设计。

执行步骤S17，根据新的有限元模型设置汽车座椅骨架的管材结构件。依据满足力学性能要求的结构有限元模型，布置管材结构件，这样就得到了合理的座椅骨架结构。

下面结合具体实例，对本发明汽车座椅骨架的构件分布方法进行说明。

以汽车后排座椅骨架结构为例进行说明，参阅图2所示，显示了汽车后排座椅模型的结构示意图，如图2所示，汽车后排座椅骨架结构在安全带静态拉伸工况下的有限元模型，通过对该原始模型的分析，在安全带静态拉伸工况下，主要受力构件为60％部分，即60％构件10，对60％构件10进行设计。根据汽车后排座椅骨架结构的实际情况，在原始模型上确定设计区域，结合图3，显示了该60％构件10的原始模型，结合图4所示，选定设计区域，设计区域与60％构件10的几何尺寸相同，建立有限元模型20，采用壳单元划分有限元网格，有限元模型20的第一下端A和第二下端B约束X、Y、Z方向移动自由度及Y、Z方向转动自由度，有限元模型20的第一上端C与汽车车身连接处约束Y、Z方向移动自由度及X、Y、Z方向转动自由度，并在安全带加载位置D施加一定大小一定方向的载荷，如图3中所示的箭头方向的载荷。建立有限元模型20的优化数学模型，以式(1)为优化数学模型，采用变密度法进行优化数学模型的结构拓扑优化设计，得到了材料密度分布图，结合图5所示，材料密度分布图中包括有材料区域30和无材料区域40，然后根据材料密度分布图和材料性能建立新的有限元模型，对新的有限元模型进行力学性能分析，并与60％构件10的原始模型的力学性能比较，结合图3所示，若新的有限元模型的力学性能满足设计要求，则依据新的有限元模型布置汽车座椅骨架的管材结构件；若未满足设计要求，则重新进行拓扑优化直至符合设计要求为止。结合图6所示，管材结构件50的布置与有材料区域30相近似，这样就得到了合理的汽车座椅骨架结构，满足汽车座椅骨架的安全性前提，有效降低管材结构件的质量，同时可以提高管材结构件的刚度和强度。

采用有限元分析方法，对由布置好的管材结构件50构成的汽车座椅骨架结构进行力学性能分析，并与原始模型结构的力学性能比较，具体如表1所示，采用本发明的汽车座椅骨架的构件分布方法，在质量减小6.29％的条件下，结构的刚度和强度均大幅提高。

表1模型与本发明设计方法得到的优化模型的力学性能参数对比本发明汽车座椅骨架的构件分布方法的有益效果：

采用对设计区域建立有限元模型得到合理的材料密度分布图，再根据材料密度分布图布置管材结构件，实现汽车座椅骨架在满足安全性的前提下，降低座椅骨架结构件的质量，提高座椅骨架结构件的刚度和强度。实现了汽车座椅骨架的轻量化设计，可以获得良好的经济性。解决了现有技术中依赖设计人员的经验和主观判断，避免了经验和主观判断带来的误差，对汽车座椅骨架提出了合理且较佳地设计方法。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种汽车座椅骨架的构件分布方法，其特征在于，包括：

根据座椅骨架的设计要求建立设计模型，确定设计区域；

根据所述设计区域和载荷工况建立所述汽车座椅骨架的有限元模型；

采用变密度法对所述有限元模型进行拓扑优化设计，得到设计区域内的材料密度分布图；

基于所述材料密度分布图布置所述汽车座椅骨架的管材结构件。

2.如权利要求1所述的汽车座椅骨架的构件分布方法，其特征在于以所述汽车座椅骨架的结构应变能最小作为优化设计目标函数，以所述汽车座椅骨架的材料伪密度为设计变量，以所述汽车座椅骨架的体积作为约束条件，建立所述拓扑优化设计的数学模型为：

Min.U

S.T.：v/v₀＜μ

式中，U为应变能，v为构件优化后的体积；v₀为构件优化前的体积，μ为体积减小因子，μ＜1.0。

3.如权利要求1所述的汽车座椅骨架的构件分布方法，其特征在于，基于所述材料密度分布图布置所述汽车座椅骨架的管材结构件包括：

根据所述材料密度分布图建立所述汽车座椅骨架的有限元模型；

采用有限元分析方法，对设计后的新的有限元模型进行力学性能分析，并判断是否符合设计要求；

若符合设计要求，则得到具有最优管材结构布置的汽车座椅结构；否则调整μ值，重新进行设计。