客室座椅骨架設計研究的必要性

隨著制造業的快速發展，在產品初期設計階段 應用結構拓撲優化設計技術進行構件布局或材料分布設計，得到初始的優設計方案，并以此為設計模型，進一步進行結構形貌、形狀和尺寸優化的設計，可得到真正優的結構設計方案，而且可提高設計效率，從而很大程度上縮短產品的設計和開發周期，減少了很多不必要的修改過程，降低開發成本，并提高產品的技術含量和市場競爭力．汽車行業作為我國國民經濟發展的支柱產業之一，幾乎涵蓋了整個工業領域的相關內容．作為一種耐用消費產品，從研發、生產、銷售到維護，汽車行業已經形成了完整的體系．其中研發過程是決定產品預期性能的關鍵環節，各種汽車零部件的結構設計在汽車產品研發中 尤為重要［１］ ． 拓撲優化是優化設計領域富有生命力的研究方向［２‐３］ ．

拓撲優化的基本思想是將尋求結構的優拓撲問題轉化為在給定的設計區域內尋求優材料分布問題，常用的方法有均勻化法、變密度法、變厚 度法和水平集方法等［４‐６］ ．近年來，應用拓撲優化技術對汽車零部件進行優化設計已取得一定的進展．季學榮等為提高汽車罩板的機械性能，運用拓撲優化和形貌優化的設計方法，對某汽車發動機罩板在 輕量化設計的同時使結構的力學性能得到提高［７］ ．劉輝等對某車型變速器箱體結構進行靜、動態聯合拓撲優化，改進后結構減輕５.９％，同時結構的振動 也有所減弱［８］ ．盧建志等提出了一種考慮擠壓工藝約束和應力約束的優化模型，使得汽車座椅的骨架 結構較優化前減重１５％［９］ ．呂兆平等建立某汽車動力總成懸置系統的動力學模型，運用拓撲優化方法，以結構的應變能小為目標函數，約束材料體積，優 化后零件減重９.４％［１０］ ．

汽車座椅系統是汽車內飾中重要部件之一，起到保護乘員的關鍵作用，金屬骨架的剛度特性是汽車座椅設計過程中為核心的問題．傳統的汽車座椅骨架構件布局主要根據經驗來設計，難以得到性價比優的結構，本文基于結構拓撲優化設計技術，提出了座椅骨架構件布局設計方法．以某轎車的后排板管結構座椅骨架為研究對象，首先根據實際的安全帶加載工況、骨架外觀形狀及尺寸要求，確定設計區域，建立設計模型；然后采用變密度法以結構靜剛度大為優化目標對結構進行拓撲優化設計，并根據拓撲優化結果，提出２種不同的布局方案；后根據有限元分析結果確定終的設計方案．在座椅骨架滿足靜態工況的設計要求的前提下，對優化設計結果進行行李箱后撞的安全性分析，驗證是否滿足動態碰撞的安全性要求