CN110154844B - 一种客车lft座椅靠背骨架及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种客车LFT座椅靠背骨架及其设计方法，为克服现有技术存在的质量增加和设计盲目性问题，骨架包括座椅靠背骨架背板与座椅靠背骨架加强筋；座椅靠背骨架背板包括座椅靠背骨架背板中间板和座椅靠背骨架背板周向板；“U”形的座椅靠背骨架背板周向板布置在座椅靠背骨架背板中间板的周边；座椅靠背骨架加强筋包括环向加强筋、直杆筋板组件与X形筋板组件；“U”字形的环向加强筋布置在座椅靠背骨架背板中间板和座椅靠背骨架背板周向板的交界线上；直杆筋板组件左右对称地布置在座椅靠背骨架背板中间板上，X形筋板组件左右对称地布置在座椅靠背骨架背板周向板中的左右侧板上，本发明还提供了一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法。

Description

一种客车LFT座椅靠背骨架及其设计方法

技术领域

本发明涉及属于客车座椅碰撞安全与轻量化设计领域的一种座椅靠背骨架，更确切地说，本发明涉及一种针对多工况安全性与轻量化设计的客车LFT(长玻璃纤维增强复合材料)座椅靠背骨架及其设计方法。

背景技术

随着我国客车使用量的不断增加，交通事故量也不断增加，给人们的生命和财产带来巨大损失。客车座椅和驾驶员与乘员直接接触，直接影响驾乘人员的生命安全，是客车上重要的安全装置之一。

针对客车座椅的安全性问题，2003年我国出台了客车座椅安全法规GB 13057-2003《客车座椅及其车辆固定件的强度》，并于2014年对其进行了修订，新修订的GB 13057-2014用动态试验取代了静态试验。GB13057-2014动态试验是将客车座椅安装在试验平台上，按照要求对其施加加速度-时间历程，模拟客车发生碰撞，后排辅助座椅上的乘员向前运动与试验座椅发生碰撞，图1为该过程示意图。本发明将该工况称为“前倾工况”。在前倾工况下，试验后假人躯干和头部的任何部分向前位移不得超过位于辅助座椅R点前1.6m的横向垂面；客车座椅及安装件或附件等不应对乘员造成伤害，座椅部件及固定件要稳固，座椅不发生严重变形、断裂、失效或其他严重损坏现象，乘员伤害应满足如下要求：

1.头部允许指标(HIC)：小于500；

2.胸部允许指标(ThAC)：小于30g(持续作用时间小于3ms的峰值除外)(g＝9.81m/s2)；

3.腿部允许指标(FAC)：小于10kN；持续作用时间大于20ms时，小于8kN。

除GB 13057-2014《客车座椅及其车辆固定件的强度》外，GB 15083-2006《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》对座椅靠背及其调节装置的静强度做出了要求，规定使用假背模型对座椅靠背沿纵向向后加载相对于座椅“R”点530Nm的力矩。本发明将该工况称为“后倾工况”，在后倾工况下，试验过程中以及试验后，座椅靠背、座椅固定装置、调节装置均不应失效，允许产生不会增加伤害程度的永久变形(包括断裂)且能承受规定载荷。本发明在前倾工况基础上增加后倾工况，对座椅靠背进行多工况的安全性设计，使其安全性能更加全面可靠。

较为完整的客车座椅结构通常包含座椅骨架、泡沫、面套和座椅调节装置等，其中座椅骨架对安全性能有较大影响。座椅骨架包含座椅靠背骨架和坐垫骨架，材料一般是钢。为了满足安全性要求，多数企业通常会选择增大骨架圆管口径、增加骨架背板厚度等。这种做法一方面导致座椅质量大幅增加，由于客车座椅数量众多，严重影响整车动力性和燃油经济性，并且致使汽车尾气排放增加，加重环境污染；另一方面采用该方法需要反复设计和验证，存在较大的设计盲目性。因此，在满足安全法规要求的前提下，对客车座椅骨架进行轻量化设计尤为重要。

目前，实现座椅骨架轻量化的途径主要有三种：(1)材料轻量化：使用新型轻质材料替换传统的密度较大的钢材；(2)结构轻量化：即对座椅骨架结构进行优化及重新设计，优化手段有拓扑优化、尺寸优化等；(3)工艺轻量化：对座椅中零部件的加工工艺与连接工艺进行轻量化手段的更新。

传统的座椅骨架材料一般是钢，由于钢的相对密度较大，目前仅仅依靠结构的改进来减轻座椅的重量已经没有太大空间。众多新型轻质材料中，长玻璃纤维增强复合材料(LFT)的密度只有传统钢材的15％～20％，比强度却超过传统碳钢3倍以上。此外，LFT还具有较高的比刚度、易于成型、生产周期短、适合模块化生产等优点。因此，将LFT应用于汽车座椅骨架设计能够从很大程度上实现汽车座椅的轻量化。若能在使用LFT替换传统钢材的基础上结合结构轻量化的手段，将实现更大程度的座椅轻量化。

拓扑优化是一种在给定的加载条件、边界约束条件和性能指标要求下，在给定的设计空间内寻求最佳材料分布的优化方法。该技术主要通过有限元分析、灵敏度计算以及寻求材料最优分布的多次迭代实现。当材料分布趋于稳定时，迭代终止，得到拓扑结果。该技术应用于产品概念设计阶段，从拓扑结果中获取传力路径，指导结构设计。工程师依据经验，结合性能要求和可制造性对拓扑结果进行工程解读，得到最终的设计方案，在保证结构性能的同时实现轻量化，避免传统设计方法的盲目性，从而减少开发时间，降低开发成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的质量增加和设计盲目性问题，提供了一种客车LFT座椅靠背骨架及其设计方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法，其步骤如下：

1)初始客车座椅安全性仿真分析：

(1)初始客车座椅前倾工况安全性仿真分析；

(2)初始客车座椅后倾工况安全性仿真分析；

2)建立客车LFT座椅靠背骨架拓扑优化模型：

(1)确定设计域和非设计域:

基于已有的客车座椅有限元模型，根据客车座椅靠背骨架的结构特点，设计目标，多工况加载和约束的边界条件以及相应工况下客车座椅靠背骨架的响应特点，将主要承力结构作为设计域，非承力结构或次要承力结构作为非设计域，设计域的材料在后续拓扑计算中重新分布，非设计域材料不发生改变；

(2)建立初始优化空间:

在仿真优化软件Genesis中，基于初始客车座椅有限元模型中客车座椅靠背骨架的形状及尺寸范围，将设计域材料全部填充，并且将设计域材料定义为LFT，使用MAT1材料模型，输入LFT材料参数，从而建立LFT座椅靠背骨架初始优化空间；

(3)工况加载:

a.前倾工况加载

在前倾工况下，对于这种动态冲击工况需要采用式(1)将动态冲击载荷等效为静态载荷，即局部平均碰撞载荷

式中：F(s)为碰撞载荷峰值范围内碰撞载荷随位移的历程，S1与S2分别为碰撞载荷峰值范围起始时的位移和结束时的位移；

因此需要将步骤1)“初始客车座椅安全性仿真分析”中输出的假人头部、胸部、腿部载荷-时间曲线、假人头部、胸部、腿部与客车地板的相对位移-时间曲线整合为假人头部、胸部、腿部载荷-相对位移曲线，并在相应曲线上截取

载荷峰值范围内的部分，采用式(1)计算局部平均碰撞载荷即为假人头部、胸部、腿部等效静态载荷；

利用HyperView软件从仿真动画中观察并找出碰撞过程中假人头部、胸部、腿部与客车座椅靠背骨架接触的区域，然后在这些区域上均匀施加相应的等效静载；约束的施加同样要注意与动态冲击效果等效；

b.后倾工况加载

在后倾工况下，对于这种静态工况，GB 15083-2006规定使用一个假背模型对座椅靠背沿纵向向后施加相对于座椅“R”点530Nm的力矩；考虑到如果使用假背模型加载，既会增加建模的复杂度，又会由于加载区域较大难以控制加载的合力矩为530Nm，增加加载的复杂度；乘员倚靠在靠背上时的体压分布通常是肩胛骨处的压力最大，并由此向四周逐渐减小，因此将所有力等效到两肩胛骨处，通过在两肩胛骨处施加两个集中力来等效假背模型的加载，R点到肩胛骨处的Z向距离近似为360mm，故两集中力大小分别定义为736N可保证总力矩为530Nm；

3)设置拓扑优化参数并提交计算：

(1)定义设计变量:

在拓扑优化仿真软件Genesis中，定义拓扑优化的设计变量为优化空间的材料密度；

(2)定义优化目标:

在拓扑优化仿真软件Genesis中，定义拓扑优化的优化目标为优化空间的加权应变能最小，其中前倾工况和后倾工况的权重比为1:1；

(3)定义约束条件:

在拓扑优化仿真软件Genesis中，定义拓扑优化的约束条件为质量分数，即优化空间内优化后剩余材料质量占优化前材料质量的百分比不超过50％；

(4)提交计算:

在拓扑优化仿真软件Genes is中提交计算，得到客车LFT座椅靠背骨架的拓扑优化结果；

4)拓扑结果工程解读；

5)客车LFT座椅靠背骨架结构设计与厚度优化；

6)客车LFT座椅靠背骨架安全性仿真验证。

技术方案中所述的初始客车座椅前倾工况安全性仿真分析是指：

(1)建立前倾工况下初始客车座椅-假人耦合模型

a.建立前倾工况下初始客车座椅有限元模型

根据GB 13057-2014中对客车座椅动态试验的规定，在有限元仿真软件HyperMesh中依次进行几何清理、网格划分、网格质量检查、材料及属性赋予、接触及连接设置、边界条件施加、输出信息定义，从而建立初始客车座椅有限元模型；

b.建立前倾工况下假人及辅助座椅多刚体模型

根据GB 13057-2014中对客车座椅动态试验的规定，在多刚体仿真软件MADYMO中设置模型控制参数、建立辅助座椅模型、导入假人模型、调整假人姿态和位置、建立接触、定义加速度场、定义输出信息，从而建立假人及辅助座椅多刚体模型；

c.将有限元模型与多刚体模型进行耦合

在MADYMO软件的耦合模块Coupl ing Ass istant中，导入初始客车座椅有限元模型和假人及辅助座椅多刚体模型，调整多刚体模型的位置，建立耦合集及接触，建立计算空间，从而将初始客车座椅有限元模型和假人及辅助座椅多刚体模型进行耦合得到初始客车座椅-假人耦合模型；

(2)提交计算并进行后处理

a.提交计算

使用MADYMO软件的耦合模块生成初始客车座椅-假人耦合模型的同时会生成用于耦合计算的K文件与XML文件，将生成的K文件与XML文件在LINUX系统下提交计算；

b.后处理

计算结束后，在Windows系统下将计算生成的kn3文件导入HyperView软件，在HyperView软件中观察仿真动画，查看假人躯干和头部向前位移是否超过辅助座椅R点前1.6m的横向垂面，座椅是否发生严重变形或断裂分离；在Windows系统下将计算生成的injury文件导入HyperGraph软件，使用HyperGraph软件绘制并输出假人头部、胸部、腿部载荷-时间曲线，读取假人腿部伤害值FAC；在Windows系统下将计算生成的d3plot文件导入LS-DYMA软件的后处理模块，使用LS-DYMA软件的后处理模块绘制并输出假人头部、胸部、腿部以及客车地板的位移-时间曲线，使用OriginPro软件绘制并输出假人头部、胸部、腿部与客车地板的相对位移-时间曲线；在Windows系统下从计算生成的PEAK文件中读取假人头部伤害值HIC和胸部伤害值ThAC；

假人头部伤害值HIC、胸部伤害值ThAC和腿部伤害值FAC用于判断该客车座椅在前倾工况下的安全性是否满足法规要求，假人头部、胸部、腿部载荷-时间曲线，假人头部、胸部、腿部与客车地板的相对位移-时间曲线用于绘制后续优化设计所需的假人头部、胸部、腿部载荷-相对位移曲线。

技术方案中所述的初始客车座椅后倾工况安全性仿真分析是指：

(1)建立后倾工况下初始客车座椅有限元模型

根据GB 15083-2006中对座椅靠背静强度试验的规定，使用有限元仿真软件HyperMesh在前倾工况客车座椅有限元模型的基础上，修改边界条件，从而建立后倾工况下的初始客车座椅有限元模型；

(2)提交计算并进行后处理

将所建立的后倾工况下初始客车座椅有限元模型在HyperMesh软件中提交计算，计算结束后在HyperView软件中观察仿真动画，查看座椅骨架、座椅固定装置、调节装置、移位折叠装置是否发生失效，是否能够承受所施加的载荷，是否产生增加伤害程度的永久变形，从而判断该客车座椅后倾工况下安全性是否满足法规要求。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的客车LFT座椅靠背骨架能够在同时满足多种工况(GB 13057-2014《客车座椅及其车辆固定件的强度》规定的“前倾”动态试验和GB 15083-2006《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》规定的“后倾”静强度试验)安全性要求的前提下实现客车座椅的轻量化，克服目前客车座椅安全性设计过程中存在的质量增加问题，提高整车动力性和燃油经济性。

2.本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法基于轻质材料替换和拓扑优化技术。使用LFT轻质材料替换初始钢材，不仅能够降低客车座椅靠背骨架材料本身的密度，而且得益于LFT的注塑成型工艺，能够实现客车座椅靠背骨架的一体化成型，减少连接件数量和生产工序，进一步降低座椅质量，简化生产工序。拓扑优化技术能够在给定的设计空间内获得最佳的材料分布，一方面避免了传统设计中依据经验反复修改的盲目性，缩短了开发时间，节约了开发成本；另一方面，本发明所述的客车LFT座椅靠背骨架的设计方法通过拓扑优化技术获取传力路径，以传力路径为指导布置材料，提高材料利用率，在优化过程中约束质量分数，使得所设计的客车LFT座椅靠背骨架在设计之初即满足轻量化要求。此外，客车座椅在实际使用时会承受各种工况的载荷，需要满足多种工况的要求，本设计方法能够同时针对多种工况进行客车LFT座椅靠背骨架的安全性和轻量化设计，采用本发明所述的客车LFT座椅靠背骨架的设计方法设计的客车座椅具备更加全面可靠的性能。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为GB 13057-2014动态试验规定的模拟客车发生碰撞时后排辅助座椅上的乘员向前运动与试验座椅发生碰撞的前倾工况示意图；

图2为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架结构组成的轴测投影视图；

图3-a为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架背板结构组成的主视图；

图3-b为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架背板结构组成的左视图；

图4-a为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架结构组成的1号主视图；

图4-b为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架结构组成的2号主视图；

图5为本发明所述的针对客车LFT座椅靠背骨架多工况安全性与轻量化设计方法的流程框图；

图6为本发明所述的一种LFT客车座椅靠背骨架的设计方法中前倾工况下初始客车座椅有限元模型轴测投影视图；

图7为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法中前倾工况下假人及辅助座椅多刚体模型主视图；

图8为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法中前倾工况下初始客车座椅-假人耦合模型轴测图；

图9为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法中前倾工况安全性仿真分析时对客车地板和辅助座椅施加的加速度-时间曲线图；

图10-a为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法中前倾工况无安全带约束时假人头部X向载荷-时间曲线图；

图10-b为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法中前倾工况无安全带约束时假人头部与客车地板X向相对位移-时间曲线图；

图11-a为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法中客车LFT座椅靠背骨架初始优化空间的主视图；

图11-b为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法中客车LFT座椅靠背骨架初始优化空间的左视图；

图12为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法中无安全带约束时假人头部X向载荷-相对位移曲线图；

图13-a为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法中客车LFT座椅靠背骨架拓扑优化前倾工况加载的主视图；

图13-b为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法中客车LFT座椅靠背骨架拓扑优化前倾工况加载的左视图；

图14-a为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法中客车LFT座椅靠背骨架拓扑优化后倾工况加载的主视图；

图14-b为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法中客车LFT座椅靠背骨架拓扑优化后倾工况加载的左视图；

图15-a为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法中客车LFT座椅靠背骨架多工况拓扑优化加载的主视图；

图15-b为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架设计方法中客车LFT座椅靠背骨架多工况拓扑优化加载的左视图；

图16为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法中客车LFT座椅靠背骨架多工况拓扑优化结果的主视图；

图17为本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法中客车LFT座椅靠背骨架加强筋布置方案的示意图；

图中：1.座椅靠背骨架背板，2.座椅靠背骨架加强筋，3.座椅靠背骨架背板中间板，4.座椅靠背骨架背板周向板，5.座椅靠背骨架背板中间板上部平面板，6.座椅靠背骨架背板中间板中部平面板，7.座椅靠背骨架背板中间板下部曲面板，8.环向加强筋，9.上部右侧斜向短加强筋，10.上部左侧斜向短加强筋，11.上部垂向加强筋，12.上部横向加强筋，13.上部右侧斜向长加强筋，14.上部左侧斜向长加强筋，15.中间横向加强筋，16.中部右侧斜向短加强筋，17.中部左侧斜向短加强筋，18.中下部右侧斜向长加强筋，19.中下部左侧斜向长加强筋，20.下部横向加强筋，21.下部右侧斜向短加强筋，22.下部左侧斜向短加强筋，23.右侧第一交叉加强筋，24.左侧第一交叉加强筋，25.右侧第二交叉加强筋，26.左侧第二交叉加强筋，27.右侧第三交叉加强筋，28.左侧第三交叉加强筋，29.右侧第四交叉加强筋，30.左侧第四交叉加强筋，31.右侧第五交叉加强筋，32.左侧第五交叉加强筋，33.右侧第六交叉加强筋，34.左侧第六交叉加强筋，35.右侧第七交叉加强筋，36.左侧第七交叉加强筋。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图2，本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架为左、右对称结构件，其包括有座椅靠背骨架背板1与座椅靠背骨架加强筋2，座椅靠背骨架背板1与座椅靠背骨架加强筋2的材料均为LFT；客车LFT座椅靠背骨架采用注塑成型工艺，即在一定压力作用下将混有LFT料粒的塑料溶体注射到靠背骨架金属模腔中，固化后形成所需的客车LFT座椅靠背骨架；座椅靠背骨架背板1与座椅靠背骨架加强筋2一体成型，二者无需额外连接。

参阅图3-a和图3-b，所述的座椅靠背骨架背板1为左、右对称的薄板结构件，壁厚4.5mm，总长L为468mm，总宽W为242mm，总高H为781mm。座椅靠背骨架背板1由座椅靠背骨架背板中间板3和座椅靠背骨架背板周向板4组成；

参阅图3-a和图3-b，所述的座椅靠背骨架背板中间板3由座椅靠背骨架背板中间板上部平面板5、座椅靠背骨架背板中间板中部平面板6和座椅靠背骨架背板中间板下部曲面板7组成。考虑乘员乘坐舒适性要求，在距座椅靠背骨架背板1最高点下方108mm处，座椅靠背骨架背板中间板上部平面板5向前弯折，与座椅靠背骨架背板中间板中部平面板6形成163°的夹角；在距座椅靠背骨架背板1最高点下方319mm处，座椅靠背骨架背板中间板中部平面板6向前弯折，与座椅靠背骨架背板下部曲面7形成161°的夹角，座椅靠背骨架背板中间板下部曲面板7的纵向曲率为0.0012mm^-1，且曲率半径中心位于座椅后方，而横向曲率为0；

参阅图3-a和图3-b，所述的座椅靠背骨架背板周向板4正面形状类似于倒置的字母“U”字形板类结构件，座椅靠背骨架背板周向板4为左右对称式结构件，座椅靠背骨架背板周向板4位于座椅靠背骨架背板中间板3外部的周边处，将座椅靠背骨架背板中间板3三面包围起来。座椅靠背骨架背板周向板4为宽度渐变的曲面板，左、右侧板最底端尖角度数为70°，宽度为55mm,自底端向上，宽度缓慢增加，距底端垂向距离为262mm处宽度达到最大，最大宽度为60mm，而后宽度逐渐减小，至座椅靠背骨架背板中间板中部平面板6和座椅靠背骨架背板中间板下部曲面板7交界处宽度减小为38mm，此后宽度继续减小，至顶端中部宽度达到最小，最小宽度为26mm。座椅靠背骨架背板周向板4向前弯折，与座椅靠背骨架背板中间板3形成的夹角并非一定值，由左右两侧底端到最大宽度处，其夹角由125°逐渐减为121°；由最大宽度处到座椅靠背骨架背板中间板中部平面6和座椅靠背骨架背板中间板下部曲面7交界处，其夹角由121°逐渐增大到141°；由座椅靠背骨架背板中间板中部平面板6和座椅靠背骨架背板中间板下部曲面板7交界处到距顶端垂向距离120mm处，其夹角由141°逐渐减小到125°；而后直至顶端中部，夹角逐渐增加到最大，为172°。座椅靠背骨架背板周向板4通过向前弯折为乘员提供侧向支撑；座椅靠背骨架背板周向板4的左右两侧底部通过胶粘工艺与金属连接板相连，进而通过金属连接板与座椅坐垫骨架相连。

参阅图4-a和图4-b，所述的座椅靠背骨架加强筋2包括环向加强筋8、直杆筋板组件与X形筋板组件；其中:直杆筋板组件为10根宽度为20mm，厚度为7mm，长为142mm～480mm的直杆筋板；X形筋板组件为14个由宽度为20mm，厚度为7mm，长为77mm～138mm的直杆筋板组成的X形筋板；直杆筋板组件与X形筋板组件左、右对称地分布于座椅靠背骨架背板1上；

参阅图4-a和图4-b，所述的环向加强筋8正面形状为“倒置”的“U”字形的左右对称式的杆类结构件，环向加强筋8为一根宽度为20mm，厚度为7mm，长为1730mm的“U”字形的杆件，环向加强筋8布置在座椅靠背骨架背板中间板3和座椅靠背骨架背板周向板4的交界线上。环向加强筋8顶端，位于上部右侧斜向短加强筋9和上部左侧斜向短加强筋10之间的部分与座椅靠背骨架背板中间板3的夹角为96°；自与上部右侧斜向短加强筋9相连处至与上部右侧斜向长加强筋13相连处，环向加强筋8与座椅靠背骨架背板中间板3的夹角逐渐由96°减为68°；自此直至右侧加强筋底端，环向加强筋8与座椅靠背骨架背板中间板3的夹角均为68°；同样的，自与上部左侧斜向短加强筋10相连处至与上部左侧斜向长加强筋14相连处，环向加强筋8与座椅靠背骨架背板中间板3的夹角逐渐由96°减为68°；自此直至左侧加强筋底端，环向加强筋8与座椅靠背骨架背板中间板3的夹角均为68°；环向加强筋8对客车LFT座椅靠背骨架起环向支撑作用，保证座椅靠背骨架的整体刚度；

参阅图4-a和图4-b，所述的直杆筋板组件包括上部右侧斜向短加强筋9、上部左侧斜向短加强筋10、上部垂向加强筋11、上部横向加强筋12、上部右侧斜向长加强筋13、上部左侧斜向长加强筋14、中间横向加强筋15、中部右侧斜向短加强筋16、中部左侧斜向短加强筋17、中下部右侧斜向长加强筋18、中下部左侧斜向长加强筋19、下部横向加强筋20、下部右侧斜向短加强筋21、下部左侧斜向短加强筋22；

参阅图4-a和图4-b，上部右侧斜向短加强筋9和上部左侧斜向短加强筋10关于客车LFT座椅靠背骨架背板1的纵向中面对称且下端相连接，夹角为78°，连接点位于环向加强筋8最高点下方115mm处，上部右侧斜向短加强筋9和上部左侧斜向短加强筋10上端与环向加强筋8内侧相连接；上部垂向加强筋11位于客车LFT座椅靠背骨架背板1的纵向中面上，其上端和上部右侧斜向短加强筋9与上部左侧斜向短加强筋10的下端相连接，下端与中间横向加强筋15的上侧筋壁垂直连接；上部横向加强筋12位于上部右侧斜向短加强筋9与上部左侧斜向短加强筋10连接点下方44mm处，与上部垂向加强筋11垂直相交连接，上部横向加强筋12的左、右端与环向加强筋8的内侧筋壁连接，上部横向加强筋12左、右端的里侧还和上部右侧斜向长加强筋13、上部左侧斜向长加强筋14相交连接，上部横向加强筋12长度为338mm；

参阅图4-a和图4-b，所述的上部右侧斜向长加强筋13上端与环向加强筋8的内侧筋壁连接，下端与中间横向加强筋15的上侧筋壁连接，连接点位于上部垂向加强筋11的右侧43mm处，上部右侧斜向长加强筋13与中间横向加强筋15的夹角为63°；所述的上部左侧斜向长加强筋14上端与环向加强筋8的内侧筋壁连接，下端与中间横向加强筋15的上侧筋壁连接，连接点位于上部垂向加强筋11的左侧43mm处，上部左侧斜向长加强筋14与中间横向加强筋15的夹角为63°；

参阅图4-a和图4-b，所述的中间横向加强筋15位于上部横向加强筋12下方133mm处，即座椅靠背骨架背板中间板中部平面6和座椅靠背骨架背板中间板下部曲面7的交界处，与座椅靠背骨架背板中间板中部平面板6的夹角为98°。中间横向加强筋15与上部垂向加强筋11的下端垂直连接，左、右端与环向加强筋8的内侧筋壁连接，长度为386mm；

参阅图4-a和图4-b，所述的中部右侧斜向长加强筋16的上端与中间横向加强筋15的下侧筋壁连接，连接点位于上部垂向加强筋11右侧74mm处，中部右侧斜向长加强筋16的下端和环向加强筋8的右内侧筋壁、下部横向加强筋20的右端与下部右侧斜向短加强筋21的上端的连接点连接，中部右侧斜向长加强筋16与中间横向加强筋15的夹角为74°；所述的中部左侧斜向长加强筋17的上端与中间横向加强筋15的下侧筋壁连接，连接点位于上部垂向加强筋11左侧74mm处，中部左侧斜向长加强筋17的下端和环向加强筋8的左内侧筋壁、下部横向加强筋20的左端与下部左侧斜向短加强筋22的上端的连接点连接，中部左侧斜向长加强筋17与中间横向加强筋15的夹角为74°；

参阅图4-a和图4-b，所述的中下部右侧斜向长加强筋18的上端和上部右侧斜向长加强筋13的下端与中间横向加强筋15的连接点连接，中下部右侧斜向长加强筋18的下端与环向加强筋8的右侧底端的内侧壁连接，中下部右侧斜向长加强筋18与中间横向加强筋15的夹角为63°；所述的中下部左侧斜向长加强筋19的上端和上部左侧斜向长加强筋14的下端与中间横向加强筋15的连接点连接，中下部左侧斜向长加强筋19的下端与环向加强筋8的左侧底端的内侧筋壁连接，中下部左侧斜向长加强筋19与中间横向加强筋15的夹角为63°；

参阅图4-a和图4-b，所述的下部横向加强筋20位于中间横向加强筋15下方264mm处，下部横向加强筋20右端和环向加强筋8的右内侧筋壁、中部右侧斜向长加强筋16的下端与下部右侧斜向短加强筋21上端的连接点连接，下部横向加强筋20左端和环向加强筋8的左内侧筋壁、中部左侧斜向长加强筋17的下端与下部左侧斜向短加强筋22上端的连接点连接，下部横向加强筋20长度为399mm；

参阅图4-a和图4-b，所述的下部右侧斜向短加强筋21的上端和环向加强筋8的右内侧筋壁、中部右侧斜向长加强筋16的下端与下部横向加强筋20右端的连接点连接，下部右侧斜向短加强筋21与下部横向加强筋20夹角为51°，下部右侧斜向短加强筋21长度为166mm；所述的下部左侧斜向短加强筋22的上端和环向加强筋8的左内侧筋壁、中部左侧斜向长加强筋17的下端与下部横向加强筋20左端的连接点连接，下部左侧斜向短加强筋22与下部横向加强筋20夹角为51°，下部左侧斜向短加强筋22长度为166mm。

参阅图4-a和图4-b，所述的X形筋板组件包括右侧第一交叉加强筋23、左侧第一交叉加强筋24、右侧第二交叉加强筋25、左侧第二交叉加强筋26、右侧第三交叉加强筋27、左侧第三交叉加强筋28、右侧第四交叉加强筋29、左侧第四交叉加强筋30、右侧第五交叉加强筋31、左侧第五交叉加强筋32、右侧第六交叉加强筋33、左侧第六交叉加强筋34、右侧第七交叉加强筋35与左侧第七交叉加强筋36。右侧第一交叉加强筋23至右侧第七交叉加强筋35和左侧第一交叉加强筋24至左侧第七交叉加强筋36的正面形状为字母“X”形且对称相等。

参阅图4-a和图4-b，所述的右侧第一交叉加强筋23的两条筋板夹角为48°，右侧第一交叉加强筋23的左上端和环向加强筋8的外侧筋壁、上部横向加强筋12的右端连接，右侧第一交叉加强筋23的左下端与环向加强筋8的外侧筋壁连接，连接点位于上部横向加强筋12下方65mm处，右侧第一交叉加强筋23的右上端位于座椅靠背骨架背板周向板4的右侧边沿，且在上部横向加强筋12上方12mm处，右侧第一交叉加强筋的右下端位于座椅靠背骨架背板周向板4的右侧边沿，且在上部横向加强筋12下方58mm处；所述的左侧第一交叉加强筋24的两条筋板夹角为48°，左侧第一交叉加强筋24的右上端和环向加强筋8的外侧筋壁与上部横向加强筋12的左端连接，左侧第一交叉加强筋24的右下端与环向加强筋8的外侧筋壁连接，连接点位于上部横向加强筋12的下方65mm处，左侧第一交叉加强筋24的左上端位于座椅靠背骨架背板周向板4的左侧边沿，且在上部横向加强筋12上方的12mm处，左侧第一交叉加强筋24的左下端位于座椅靠背骨架背板周向板4的左侧边沿，且在上部横向加强筋12下方的58mm处；

参阅图4-a和图4-b，所述的右侧第二交叉加强筋25的两条筋板夹角为65°，右侧第二交叉加强筋25左上端和环向加强筋8的外侧筋壁与右侧第一交叉加强筋23的左下端的连接点连接，右侧第二交叉加强筋25的左下端和环向加强筋8的外侧筋壁与中间横向加强筋15的右端连接，右侧第二交叉加强筋25的右上端与右侧第一交叉加强筋23的右下端连接，右侧第二交叉加强筋25的右下端位于座椅靠背骨架背板1的右侧边沿，中间横向加强筋15上方8mm处；所述的左侧第二交叉加强筋26的两条筋板夹角为65°，左侧第二交叉加强筋26右上端和环向加强筋8的外侧筋壁与左侧第一交叉加强筋24的右下端的连接点连接，左侧第二交叉加强筋26的右下端和环向加强筋8的外侧壁、中间横向加强筋15的左端连接，左侧第二交叉加强筋26的左上端与左侧第一交叉加强筋23的左下端连接，左侧第二交叉加强筋26的左下端位于座椅靠背骨架背板1的左侧边沿，中间横向加强筋15上方8mm处；

参阅图4-a和图4-b，所述的右侧第三交叉加强筋27的两条筋板夹角为51°，右侧第三交叉加强筋27左上端和环向加强筋8的外侧筋壁、中间横向加强筋15的右端与右侧第二交叉加强筋25的左下端的连接点连接，右侧第三交叉加强筋27的左下端与环向加强筋8的外侧筋壁连接，连接点位于中间横向加强筋15下方79mm处，右侧第三交叉加强筋27的右上端与右侧第二交叉加强筋25的右下端连接，右侧第三交叉加强筋27的右下端位于座椅靠背骨架背板1的右侧边沿，中间横向加强筋15下方65mm处；所述的左侧第三交叉加强筋28的两条筋板夹角为51°，左侧第三交叉加强筋28右上端和环向加强筋8的外侧筋壁、中间横向加强筋15的左端与左侧第二交叉加强筋26的右下端的连接点连接，左侧第三交叉加强筋28的右下端与环向加强筋8的外侧筋壁连接，连接点位于中间横向加强筋15下方79mm处，左侧第三交叉加强筋28的左上端与左侧第二交叉加强筋26的左下端连接，左侧第三交叉加强筋28的左下端位于座椅靠背骨架背板1的左侧边沿，中间横向加强筋15下方65mm处；

参阅图4-a和图4-b，所述的右侧第四交叉加强筋29的两条筋板夹角为53°，右侧第四交叉加强筋29的左上端和环向加强筋8的外侧筋壁与右侧第三交叉加强筋27的左下端的连接点连接，右侧第四交叉加强筋29的左下端与环向加强筋8的外侧筋壁连接，连接点位于中间横向加强筋15下方179mm处，右侧第四交叉加强筋29的右上端与右侧第三交叉加强筋27的右下端连接，右侧第四交叉加强筋29的右下端位于座椅靠背骨架背板周向板4的右侧边沿，且在中间横向加强筋15下方157mm处；所述的左侧第四交叉加强筋30的两条筋板夹角为53°，左侧第四交叉加强筋30的右上端和环向加强筋8的外侧筋壁与左侧第三交叉加强筋28的右下端的连接点连接，左侧第四交叉加强筋30的右下端与环向加强筋8的外侧壁连接，连接点位于中间横向加强筋15下方179mm处，左侧第四交叉加强筋30的左上端与左侧第三交叉加强筋28的左下端连接，左侧第四交叉加强筋30的左下端位于座椅靠背骨架背板周向板4的左侧边沿，且在中间横向加强筋15下方157mm处；

参阅图4-a和图4-b，所述的右侧第五交叉加强筋31的两条筋板夹角为63°，右侧第五交叉加强筋31的左上端和环向加强筋8的外侧筋壁与右侧第四交叉加强筋29的左下端的连接点连接，右侧第五交叉加强筋31的左下端和环向加强筋8的外侧筋壁、中部右侧斜向长加强筋16的下端、下部横向加强筋20的右端、下部右侧斜向短加强筋21的上端连接，右侧第五交叉加强筋31的右上端与右侧第四交叉加强筋29的右下端连接，右侧第五交叉加强筋31的右下端位于座椅靠背骨架背板周向板4的右侧边沿，且在下部横向加强筋20上方18mm处；所述的左侧第五交叉加强筋32的两条筋板夹角为63°，左侧第五交叉加强筋32的右上端和环向加强筋8的外侧筋壁与左侧第四交叉加强筋30的右下端的连接点连接，左侧第五交叉加强筋32的右下端和环向加强筋8的外侧筋壁、中部左侧斜向长加强筋17的下端、下部横向加强筋20的左端、下部左侧斜向短加强筋22的上端连接，左侧第五交叉加强筋32的左上端与左侧第四交叉加强筋30的左下端连接，左侧第五交叉加强筋32的左下端位于座椅靠背骨架背板周向板4的左侧边沿，且在下部横向加强筋20上方18mm处；

参阅图4-a和图4-b，所述的右侧第六交叉加强筋33的两条筋板夹角为66°，右侧第六交叉加强筋33的左上端和环向加强筋8的外侧筋壁、中部右侧斜向长加强筋16的下端、下部横向加强筋20的右端、下部右侧斜向短加强筋21的上端、右侧第五交叉加强筋31的左下端连接，右侧第六交叉加强筋33的左下端与环向加强筋8的外侧筋壁连接，连接点位于下部横向加强筋20下方79mm处，右侧第六交叉加强筋33的右上端与右侧第五交叉加强筋31的右下端连接，右侧第六交叉加强筋33的右下端位于座椅靠背骨架背板周向板4的右侧边沿，且在下部横向加强筋20下方76mm处；所述的左侧第六交叉加强筋34的两条筋板夹角为66°，左侧第六交叉加强筋34的右上端和环向加强筋8的外侧壁、中部左侧斜向长加强筋17的下端、下部横向加强筋20的左端、下部左侧斜向短加强筋22的上端、左侧第五交叉加强筋32的右下端连接，左侧第六交叉加强筋34的右下端与环向加强筋8的外侧壁连接，连接点位于下部横向加强筋20下方79mm处，左侧第六交叉加强筋34的左上端与左侧第五交叉加强筋32的左下端连接，左侧第六交叉加强筋34的左下端位于座椅靠背骨架背板周向板4的左侧边沿，且在下部横向加强筋20下方76mm处；

参阅图4-a和图4-b，所述的右侧第七交叉加强筋35的两条筋板夹角为46°，右侧第七交叉加强筋35的左上端和环向加强筋8的外侧筋壁与右侧第六交叉加强筋33的左下端的连接点连接，右侧第七交叉加强筋35的左下端和环向加强筋8的外侧筋壁、中下部右侧斜向长加强筋18的下端连接，右侧第七交叉加强筋35的右上端和右侧第六交叉加强筋33的右下端连接，右侧第七交叉加强筋35的右下端延伸至座椅靠背骨架背板周向板4的右侧最低点处；所述的左侧第七交叉加强筋36的两条筋板夹角为46°，左侧第七交叉加强筋36的右上端和环向加强筋8的外侧筋壁与左侧第六交叉加强筋34的右下端的连接点连接，左侧第七交叉加强筋36的右下端和环向加强筋8的外侧筋壁、中下部左侧斜向长加强筋19的下端连接，左侧第七交叉加强筋36的左上端和左侧第六交叉加强筋34的左下端连接，左侧第七交叉加强筋36的左下端延伸至座椅靠背骨架背板周向板4的左侧最低点处。

客车LFT座椅靠背骨架两侧区域采用众多交叉形式的加强筋，能够加强靠背骨架两侧区域的承载能力，增大两侧区域的刚度，减小前倾工况和后倾工况下座椅靠背的变形，保证安全性。

参阅图5，本发明所述的一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法的步骤如下：

1.初始客车座椅安全性仿真分析

1)初始客车座椅前倾工况安全性仿真分析

(1)建立前倾工况下初始客车座椅-假人耦合模型

a.建立前倾工况下初始客车座椅有限元模型

参阅图6，根据GB 13057-2014中对客车座椅动态试验的规定，在有限元仿真软件HyperMesh中依次进行几何清理、网格划分、网格质量检查、材料及属性赋予、接触及连接设置、边界条件施加(对客车地板施加满足法规要求的加速度-时间曲线)、输出信息定义(定义需要输出的动画、接触载荷、节点位移、单元应力信息)，从而建立图6所示的初始客车座椅有限元模型。

b.建立前倾工况下假人及辅助座椅多刚体模型

参阅图7，根据GB 13057-2014中对客车座椅动态试验的规定，在多刚体仿真软件MADYMO中设置模型控制参数、建立辅助座椅模型、导入假人模型、调整假人姿态和位置、建立接触、定义加速度场(对辅助座椅施加满足法规要求的加速度-时间曲线)、定义输出信息(定义需要输出的动画、假人头部、胸部、腿部的加速度、载荷、伤害、位移信息)，从而建立图7所示的假人及辅助座椅多刚体模型。

c.将有限元模型与多刚体模型进行耦合

参阅图8，在MADYMO软件的耦合模块Coupling Assistant中，导入初始客车座椅有限元模型和假人及辅助座椅多刚体模型，调整多刚体模型的位置，建立耦合集及接触，建立计算空间，从而将图6所示的初始客车座椅有限元模型和图7所示的假人及辅助座椅多刚体模型进行耦合得到图8所示的初始客车座椅-假人耦合模型。

(2)提交计算并进行后处理

a.提交计算

使用MADYMO软件的耦合模块Coupling Assistant生成初始客车座椅-假人耦合模型的同时会生成用于耦合计算的K文件与XML文件，将生成的K文件与XML文件在LINUX系统下提交计算。

b.后处理

计算结束后，在Windows系统下将计算生成的kn3文件导入HyperView软件，在HyperView软件中观察仿真动画，查看假人躯干和头部向前位移是否超过辅助座椅R点前1.6m的横向垂面，座椅是否发生严重变形或断裂分离；在Windows系统下将计算生成的injury文件导入HyperGraph软件，使用HyperGraph软件绘制并输出假人头部、胸部、腿部载荷-时间曲线，读取假人腿部伤害值FAC；在Windows系统下将计算生成的d3plot文件导入LS-DYMA软件的后处理模块，使用LS-DYMA软件的后处理模块绘制并输出假人头部、胸部、腿部以及客车地板的位移-时间曲线，使用OriginPro软件绘制并输出假人头部、胸部、腿部与客车地板的相对位移-时间曲线；在Windows系统下从计算生成的PEAK文件中读取假人头部伤害值HIC和胸部伤害值ThAC。

假人头部伤害值HIC、胸部伤害值ThAC和腿部伤害值FAC用于判断该客车座椅在前倾工况下的安全性是否满足法规要求。假人头部、胸部、腿部载荷-时间曲线，假人头部、胸部、腿部与客车地板的相对位移-时间曲线用于绘制后续优化设计所需的假人头部、胸部、腿部载荷-相对位移曲线。

2)初始客车座椅后倾工况安全性仿真分析

(1)建立后倾工况下初始客车座椅有限元模型

根据GB 15083-2006中对座椅靠背静强度试验的规定，使用有限元仿真软件HyperMesh在图6所示的前倾工况初始客车座椅有限元模型的基础上，修改边界条件(删除对客车地板施加的加速度-时间曲线，改为对座椅靠背沿纵向向后施加相对于座椅“R”点530Nm力矩的载荷)，从而建立后倾工况下的初始客车座椅有限元模型。

(2)提交计算并进行后处理

将所建立的后倾工况下初始客车座椅有限元模型在HyperMesh软件中提交计算，计算结束后在HyperView软件中观察仿真动画，查看座椅骨架、座椅固定装置、调节装置、移位折叠装置是否发生失效，是否能够承受所施加的载荷，是否产生增加伤害程度的永久变形(包括断裂)，从而判断该客车座椅后倾工况下安全性是否满足法规要求。

2.建立客车LFT座椅靠背骨架拓扑优化模型

1)确定设计域和非设计域

基于已有的客车座椅有限元模型，根据客车座椅靠背骨架的结构特点，设计目标，多工况加载和约束的边界条件以及相应工况下客车座椅靠背骨架的响应特点，将主要承力结构作为设计域，非承力结构或次要承力结构作为非设计域，设计域的材料在后续拓扑计算中重新分布，非设计域材料不发生改变。

2)建立初始优化空间

在仿真优化软件Genesis中，基于初始客车座椅有限元模型中客车座椅靠背骨架的形状及尺寸范围，将设计域材料全部填充，并且将设计域材料定义为LFT，使用MAT1材料模型，输入LFT材料参数，从而建立LFT座椅靠背骨架初始优化空间。

3)工况加载

(1)前倾工况加载

在前倾工况下，对于这种动态冲击工况需要采用式(1)将动态冲击载荷等效为静态载荷，即局部平均碰撞载荷

式中：F(s)为碰撞载荷峰值范围内碰撞载荷随位移的历程，S1与S2分别为碰撞载荷峰值范围起始时的位移和结束时的位移；

因此需要将步骤1“初始客车座椅安全性仿真分析”中输出的假人头部、胸部、腿部载荷-时间曲线、假人头部、胸部、腿部与客车地板的相对位移-时间曲线整合为假人头部、胸部、腿部载荷-相对位移曲线，并在相应曲线上截取载荷峰值范围内的部分，采用式(1)计算局部平均碰撞载荷即为假人头部、胸部、腿部等效静态载荷。

利用HyperView软件从仿真动画中观察并找出碰撞过程中假人头部、胸部、腿部与客车座椅靠背骨架接触的区域，然后在这些区域上均匀施加相应的等效静载；约束的施加同样要注意与动态冲击效果等效。

(2)后倾工况加载

在后倾工况下，对于这种静态工况，GB 15083-2006规定使用一个假背模型对座椅靠背沿纵向向后施加相对于座椅“R”点530Nm的力矩。考虑到如果使用假背模型加载，既会增加建模的复杂度，又会由于加载区域较大难以控制加载的合力矩为530Nm，增加加载的复杂度。乘员倚靠在靠背上时的体压分布通常是肩胛骨处的压力最大，并由此向四周逐渐减小，因此将所有力等效到两肩胛骨处，通过在两肩胛骨处施加两个集中力来等效假背模型的加载，R点到肩胛骨处的Z向距离近似为360mm，故两集中力大小分别定义为736N可保证总力矩为530Nm。

3.设置拓扑优化参数并提交计算

1)定义设计变量

在拓扑优化仿真软件Genesis中，定义拓扑优化的设计变量为优化空间的材料密度。

2)定义优化目标

在拓扑优化仿真软件Genesis中，定义拓扑优化的优化目标为优化空间的加权应变能最小，其中前倾工况和后倾工况的权重比为1:1。

3)定义约束条件

在拓扑优化仿真软件Genesis中，定义拓扑优化的约束条件为质量分数(即优化空间内优化后剩余材料质量占优化前材料质量的百分比)不超过50％。

4)提交计算

在拓扑优化仿真软件Genesis中提交计算，得到客车LFT座椅靠背骨架的拓扑优化结果。

4.拓扑结果工程解读

LFT由于其特殊的注塑成型工艺，通常采用带有加强筋结构的板件结构。根据客车LFT座椅靠背骨架拓扑优化结果中给出的传力路径，在宽度较小的传力路径上布置直杆形式的加强筋，在宽度较大的传力路径上布置交叉形式的加强筋。

5.客车LFT座椅靠背骨架结构设计与厚度优化

根据上一步中对拓扑优化结果的解读设计客车LFT座椅靠背骨架的结构，将座椅靠背骨架背板1和座椅靠背骨架加强筋2设计为不同厚度，采用正交试验的方法对座椅靠背骨架背板1和座椅靠背骨架加强筋2进行厚度优化，从而达到最佳的材料分配。厚度优化正交试验中，座椅靠背骨架背板1厚度取值范围为4～6mm，取值间隙为0.5mm；座椅靠背骨架加强筋2厚度取值范围为5～8mm，取值间隙为0.5mm，考虑到客车座椅设计的轻量化要求，去除靠背骨架总质量超过7kg的试验。

每组试验中，将所设计的客车LFT座椅靠背骨架替换初始客车座椅有限元模型中的靠背骨架，根据GB 13057-2014对客车座椅动态试验的要求，重新进行耦合计算，观察仿真结果，从中找出满足法规且质量最小的厚度组合。

6.客车LFT座椅靠背骨架安全性仿真验证

将满足法规且质量最小厚度组合的客车LFT座椅靠背骨架替换初始客车座椅-假人耦合模型中的靠背骨架，重新进行前倾工况和后倾工况仿真计算，验证所设计的客车LFT座椅靠背骨架是否满足GB 13057-2014规定的客车座椅动态试验要求和GB 15083-2006规定的座椅靠背及其调节装置静强度试验要求。

若满足法规要求，则将该客车LFT座椅靠背骨架结构作为最终的设计方案；若不满足法规要求，则尝试调整座椅靠背骨架背板1和座椅靠背骨架加强筋2的厚度，或根据拓扑优化结果适当调整加强筋的布置，直至满足法规要求。

实施例

本实施案例中的初始客车座椅靠背骨架材料为钢，重量为7.72kg，整椅骨架重量为29.46kg。在该初始客车座椅的基础上，利用本发明所述的设计方法，对其进行多工况安全性和轻量化设计。

1、初始客车座椅安全性仿真分析

1)初始客车座椅前倾工况安全性仿真分析

(1)建立前倾工况下初始客车座椅-假人耦合模型

a.建立前倾工况下初始客车座椅有限元模型

参阅图6与图9，根据GB 13057-2014中对客车座椅动态试验的规定，在有限元仿真软件HyperMesh中依次进行几何清理、网格划分、网格质量检查、材料及属性赋予、接触及连接设置、边界条件施加(对客车地板施加图9所示的加速度-时间曲线)、输出信息定义，从而建立初始客车座椅有限元模型。

b.建立前倾工况下假人及辅助座椅多刚体模型

参阅图7与图9，参考GB 13057-2014中对客车座椅动态试验的规定，在多刚体仿真软件MADYMO中设置模型控制参数、建立辅助座椅模型、导入假人模型、调整假人姿态和位置、建立接触、定义加速度场(对辅助座椅施加图9所示的加速度-时间曲线)、定义输出信息，从而建立假人及辅助座椅多刚体模型。

c.将有限元模型与多刚体模型进行耦合

参阅图8，使用MADYMO软件的耦合模块Coupling Assistant将图6所示的客车座椅有限元模型和图7所示的假人及辅助座椅多刚体模型进行耦合得到图8所示的客车座椅-假人耦合模型。

(2)提交计算并进行后处理

a.提交计算

将耦合生成的K文件和XML文件在LINUX系统下提交计算。

b.后处理

参阅图10-a、图10-b及表1，在LINUX系统下完成计算后，使用Windows系统下的HyperView软件观察仿真动画，假人躯干和头部的任何部分向前位移未超过辅助座椅R点前1.6m的横向垂面，座椅未发生严重变形或断裂分离；使用Windows系统下的HyperGraph软件绘制并输出假人头部、胸部、腿部载荷-时间曲线(此处以无安全带约束时假人头部X向曲线为例，见图9-a)，读取假人腿部伤害值FAC(见表1)；使用Windows系统下的LS-DYMA软件后处理模块和OriginPro软件绘制并输出假人头部、胸部、腿部与客车地板的相对位移-时间曲线(此处以无安全带约束时假人头部X向曲线为例，见图10-b)；在Windows系统下从计算生成的PEAK文件中读取假人头部伤害值HIC和胸部伤害值ThAC(见表1)。

表1前倾工况假人各部位伤害值

无安全带约束情况下左右假人头部HIC值均超过法规限值；有安全带约束时满足法规要求。一般情况下无安全带约束时假人伤害满足法规，则有安全带时假人伤害也满足法规。因此对于前倾工况，本发明只针对无安全带约束的情况进行优化，但在最终安全性验证时对无安全带和有安全带约束的情况均进行验证。

2)初始客车座椅后倾工况安全性仿真分析

(1)建立后倾工况下初始客车座椅有限元模型

参考GB 15083-2006中对座椅靠背静强度试验的规定，使用有限元仿真软件HyperMesh将前倾工况初始客车座椅有限元模型中对客车地板施加的加速度-时间曲线删除，对座椅靠背沿纵向向后施加相对于座椅“R”点530Nm力矩的载荷，建立后倾工况下的初始客车座椅有限元模型。

(2)提交计算并进行后处理

将所建立的后倾工况下初始客车座椅有限元模型在HyperMesh软件中提交计算，计算结束后在HyperView软件中观察仿真动画，动画表明后倾工况下初始客车座椅满足法规要求，座椅靠背、座椅固定装置、调节装置、移位折叠装置均未发生失效，能承受所加载荷，未产生增加伤害程度的永久变形(包括断裂)。

2.建立客车LFT座椅靠背骨架拓扑优化模型

1)确定设计域和非设计域

由于GB 13057-2014的动态试验和GB 15083-2006的靠背及其调节装置静强度试验均对座椅靠背强度要求较高，两种工况下客车座椅靠背均为主要承力结构，故定义客车座椅靠背骨架为设计域，坐垫骨架等其余区域为非设计域。

2)建立初始优化空间

参阅图11-a和图11-b，在仿真优化软件Genesis中，基于初始客车座椅有限元模型中客车座椅靠背骨架的形状及尺寸范围，将设计域材料全部填充，并且将设计域材料定义为LFT，使用MAT1材料模型，输入LFT材料参数，从而建立图11-a和图11-b所示的LFT座椅靠背骨架初始优化空间。

3)工况加载

(1)前倾工况加载

参阅图12，将图10-a中的假人头部X向载荷-时间曲线和图10-b中的假人头部与客车地板的X向相对位移-时间曲线整合为假人头部X向载荷-相对位移曲线，取X向载荷峰值时间范围为106ms-110ms，根据式(1)计算得X向头部等效静载为2728.38N；采用同样的计算方法得到假人头部Z向等效静载值，Y向载荷和位移相对于X向和Z向来说均较小，可忽略不计。假人胸部、腿部的X向、Z向等效静载计算方法与头部完全相同。

参阅图13-a和图13-b，在LFT靠背骨架与假人头部接触区域均匀施加X向等效静载，接触区域节点个数为37，故对每个接触节点X向正向施加大小为73.7N的载荷，约束LFT座椅靠背骨架两侧下端节点的六个自由度。骨架与假人头部Z向、胸部、腿部接触区域等效静载的加载方法与头部X向相同。

(2)后倾工况加载

参阅图14-a和图14-b，参考GB 15083-2006，在LFT座椅靠背骨架与两肩胛骨接触处施加两个水平向后大小为736N的集中力，约束同前倾工况。

参阅图15-a和图15-b，客车LFT座椅靠背骨架多工况拓扑优化的工况加载完毕。

3.设置拓扑优化参数并提交计算

1)定义设计变量

在拓扑优化仿真软件Genesis中，定义拓扑优化的设计变量为优化空间的材料密度。

2)定义优化目标

在拓扑优化仿真软件Genesis中，定义拓扑优化的优化目标为优化空间的加权应变能最小，其中前倾工况和后倾工况的权重比为1:1。

2)定义优化目标

在拓扑优化仿真软件Genesis中，定义拓扑优化的约束条件为质量分数不超过50％。

4)提交计算

在拓扑优化仿真软件Genesis中提交计算。

参阅图16，客车LFT座椅靠背骨架多工况拓扑优化结果如图所示。白色区域材料密度为0，颜色越深的区域材料密度越大。

4、拓扑结果工程解读

参阅图17，基于拓扑优化结果给出的传力路径，在宽度较小的传力路径上布置直杆形式的加强筋，在宽度较大的传力路径上布置交叉形式的加强筋，得到图17所示的客车LFT座椅靠背骨架加强筋布置方案，图中黑色粗实线代表加强筋。

5、客车LFT座椅靠背骨架结构设计与厚度优化

参阅图2和表2，根据已确定的客车LFT座椅靠背骨架加强筋布置方案设计客车LFT座椅靠背骨架结构，并对座椅靠背骨架背板1和座椅靠背骨架加强筋2进行厚度优化，厚度优化正交试验中座椅靠背骨架背板1和座椅靠背骨架加强筋2厚度取值见表2。

表2客车LFT座椅靠背骨架厚度优化正交试验

将每组厚度组合下的客车LFT座椅靠背骨架替换初始客车座椅有限元模型中的靠背骨架，根据GB 13057-2014重新进行耦合计算。经对比，发现座椅靠背骨架背板1厚度为4.5mm，座椅靠背骨架加强筋2厚度为7mm时，LFT座椅靠背骨架满足GB 13057-2014，且质量最小。

6、客车LFT座椅靠背骨架安全性仿真验证

将本发明所设计的座椅靠背骨架背板1厚度为4.5mm，座椅靠背骨架加强筋2厚度为7mm的客车LFT座椅靠背骨架替换初始客车座椅-假人耦合模型中的靠背骨架，重新进行前倾工况和后倾工况仿真计算，验证所设计的客车LFT座椅靠背骨架是否满足GB 13057-2014规定的客车座椅动态试验要求和GB 15083-2006规定的座椅靠背及其调节装置静强度试验要求。

参阅表3，前倾工况碰撞仿真过程中，有安全带和无安全带约束下，假人躯干和头部的任何部分向前位移均未超过辅助座椅R点前1.6m的横向垂面，客车座椅未发生严重变形或断裂分离，且乘员伤害均低于法规限值，满足GB 13057-2014要求；后倾工况中，座椅靠背、座椅固定装置、调节装置等均能承受所加载荷，未产生增加伤害程度的永久变形(包括断裂)，满足GB 15083-2006要求。

表3客车LFT座椅靠背骨架前倾工况仿真验证假人伤害统计

本发明所设计的客车LFT座椅靠背骨架重量为6.70kg，相比于初始钢制靠背骨架减重约13.21％，且改善了客车座椅对后排乘员头部的缓冲保护性能。由于客车座椅数量众多，故采用本发明的设计方法能够在提升客车座椅安全性能的同时实现较大程度的客车轻量化。

Claims (3)

1.一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法，其特征在于，所述的一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法包括步骤如下：

1)初始客车座椅安全性仿真分析：

(1)初始客车座椅前倾工况安全性仿真分析；

(2)初始客车座椅后倾工况安全性仿真分析；

2)建立客车LFT座椅靠背骨架拓扑优化模型：

(1)确定设计域和非设计域:

基于已有的客车座椅有限元模型，根据客车座椅靠背骨架的结构特点，设计目标，多工况加载和约束的边界条件以及相应工况下客车座椅靠背骨架的响应特点，将主要承力结构作为设计域，非承力结构或次要承力结构作为非设计域，设计域的材料在后续拓扑计算中重新分布，非设计域材料不发生改变；

(2)建立初始优化空间:

在仿真优化软件Genesis中，基于初始客车座椅有限元模型中客车座椅靠背骨架的形状及尺寸范围，将设计域材料全部填充，并且将设计域材料定义为LFT，使用MAT1材料模型，输入LFT材料参数，从而建立LFT座椅靠背骨架初始优化空间；

(3)工况加载:

a.前倾工况加载

在前倾工况下，对于这种动态冲击工况需要采用式(1)将动态冲击载荷等效为静态载荷，即局部平均碰撞载荷

式中：F(s)为碰撞载荷峰值范围内碰撞载荷随位移的历程，S1与S2分别为碰撞载荷峰值范围起始时的位移和结束时的位移；

因此需要将步骤1)“初始客车座椅安全性仿真分析”中输出的假人头部、胸部、腿部载荷-时间曲线、假人头部、胸部、腿部与客车地板的相对位移-时间曲线整合为假人头部、胸部、腿部载荷-相对位移曲线，并在相应曲线上截取载荷峰值范围内的部分，采用式(1)计算局部平均碰撞载荷即为假人头部、胸部、腿部等效静态载荷；

利用HyperView软件从仿真动画中观察并找出碰撞过程中假人头部、胸部、腿部与客车座椅靠背骨架接触的区域，然后在这些区域上均匀施加相应的等效静载；约束的施加同样要注意与动态冲击效果等效；

b.后倾工况加载

在后倾工况下，对于这种静态工况，GB 15083-2006规定使用一个假背模型对座椅靠背沿纵向向后施加相对于座椅“R”点530Nm的力矩,考虑到如果使用假背模型加载，既会增加建模的复杂度，又会由于加载区域较大难以控制加载的合力矩为530Nm，增加加载的复杂度,乘员倚靠在靠背上时的体压分布通常是肩胛骨处的压力最大，并由此向四周逐渐减小，因此将所有力等效到两肩胛骨处，通过在两肩胛骨处施加两个集中力来等效假背模型的加载，R点到肩胛骨处的Z向距离近似为360mm，故两集中力大小分别定义为736N可保证总力矩为530Nm；

3)设置拓扑优化参数并提交计算：

(1)定义设计变量:

在拓扑优化仿真软件Genesis中，定义拓扑优化的设计变量为优化空间的材料密度；

(2)定义优化目标:

在拓扑优化仿真软件Genesis中，定义拓扑优化的优化目标为优化空间的加权应变能最小，其中前倾工况和后倾工况的权重比为1:1；

(3)定义约束条件:

在拓扑优化仿真软件Genesis中，定义拓扑优化的约束条件为质量分数,即优化空间内优化后剩余材料质量占优化前材料质量的百分比不超过50％；

(4)提交计算:

在拓扑优化仿真软件Genesis中提交计算，得到客车LFT座椅靠背骨架的拓扑优化结果；

4)拓扑结果工程解读；

5)客车LFT座椅靠背骨架结构设计与厚度优化；

6)客车LFT座椅靠背骨架安全性仿真验证。

2.按照权利要求1所述的一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法，其特征在于，所述的初始客车座椅前倾工况安全性仿真分析是指：

(1)建立前倾工况下初始客车座椅-假人耦合模型

a.建立前倾工况下初始客车座椅有限元模型

根据GB 13057-2014中对客车座椅动态试验的规定，在有限元仿真软件HyperMesh中依次进行几何清理、网格划分、网格质量检查、材料及属性赋予、接触及连接设置、边界条件施加、输出信息定义，从而建立初始客车座椅有限元模型；

b.建立前倾工况下假人及辅助座椅多刚体模型

根据GB 13057-2014中对客车座椅动态试验的规定，在多刚体仿真软件MADYMO中设置模型控制参数、建立辅助座椅模型、导入假人模型、调整假人姿态和位置、建立接触、定义加速度场、定义输出信息，从而建立假人及辅助座椅多刚体模型；

c.将有限元模型与多刚体模型进行耦合

在MADYMO软件的耦合模块Coupling Assistant中，导入初始客车座椅有限元模型和假人及辅助座椅多刚体模型，调整多刚体模型的位置，建立耦合集及接触，建立计算空间，从而将初始客车座椅有限元模型和假人及辅助座椅多刚体模型进行耦合得到初始客车座椅-假人耦合模型；

(2)提交计算并进行后处理

a.提交计算

使用MADYMO软件的耦合模块生成初始客车座椅-假人耦合模型的同时会生成用于耦合计算的K文件与XML文件，将生成的K文件与XML文件在LINUX系统下提交计算；

b.后处理

计算结束后，在Windows系统下将计算生成的kn3文件导入HyperView软件，在HyperView软件中观察仿真动画，查看假人躯干和头部向前位移是否超过辅助座椅R点前1.6m的横向垂面，座椅是否发生严重变形或断裂分离；在Windows系统下将计算生成的injury文件导入HyperGraph软件，使用HyperGraph软件绘制并输出假人头部、胸部、腿部载荷-时间曲线，读取假人腿部伤害值FAC；在Windows系统下将计算生成的d3plot文件导入LS-DYMA软件的后处理模块，使用LS-DYMA软件的后处理模块绘制并输出假人头部、胸部、腿部以及客车地板的位移-时间曲线，使用OriginPro软件绘制并输出假人头部、胸部、腿部与客车地板的相对位移-时间曲线；在Windows系统下从计算生成的PEAK文件中读取假人头部伤害值HIC和胸部伤害值ThAC；

假人头部伤害值HIC、胸部伤害值ThAC和腿部伤害值FAC用于判断该客车座椅在前倾工况下的安全性是否满足法规要求，假人头部、胸部、腿部载荷-时间曲线，假人头部、胸部、腿部与客车地板的相对位移-时间曲线用于绘制后续优化设计所需的假人头部、胸部、腿部载荷-相对位移曲线。

3.按照权利要求1所述的一种客车LFT座椅靠背骨架的设计方法，其特征在于，所述的初始客车座椅后倾工况安全性仿真分析是指：

(1)建立后倾工况下初始客车座椅有限元模型

根据GB 15083-2006中对座椅靠背静强度试验的规定，使用有限元仿真软件HyperMesh在前倾工况初始客车座椅有限元模型的基础上，修改边界条件，从而建立后倾工况下的初始客车座椅有限元模型；

(2)提交计算并进行后处理

将所建立的后倾工况下初始客车座椅有限元模型在HyperMesh软件中提交计算，计算结束后在HyperView软件中观察仿真动画，查看座椅骨架、座椅固定装置、调节装置、移位折叠装置是否发生失效，是否能够承受所施加的载荷，是否产生增加伤害程度的永久变形，从而判断该客车座椅后倾工况下安全性是否满足法规要求。