來源 | 汽車輕量化線上
摘要：座椅作為汽車的重要内飾件，其輕量化對整車減重提供了很大幫助，在保證安全性并保持造型美觀的基礎上，可對座椅進行輕量化設計。以一款車型的電動座椅為例，利用CATIA軟體模組化，将建立的模型導入HyperMesh中進行網格劃分，形成有限元模型并進行模态分析，最後利用Optistruct求解器進行相關的優化，最終得到優化後的模型，實作對座椅輕量化的合理設計。
關鍵詞：汽車電動座椅；HyperMesh；輕量化；有限元仿真
随着汽車排放标準提升，對汽車節能減排的要求愈發嚴格，各個國家都在研究如何在保證汽車性能的同時，盡可能地減少汽車排放；其中輕量化是一個方向，座椅作為汽車重要且最大的内飾件，可對其進行輕量化。
汽車座椅不僅要求注重舒适性和美觀性，而且在車内起着人與車身的連接配接作用；是以座椅輕量化設計應在滿足相關要求和需求的基礎上，盡可能地減重[1]。近年來，汽車行業逐漸向環保、可持續發展方向靠攏，如何以較低成本、較少材料和更先進的工藝來生産性能和要求都滿足的産品成為研發和生産關注的重點。國外同行提出了衡量人體回報的座椅設計，可根據不同的人員進行調節，使乘坐者更加舒适[2]。目前大陸在汽車座椅設計和研發方面處于基礎階段，各項核心技術尚未取得顯著突破；同時，受限于汽車零部件标準體系不完整，在生産工藝方面不能滿足生産制造需求，使得座椅發展較為滞後，但同時也有了提升空間。
1、座椅模型的建立
1.1 3D模型的建立
建立3D模型，首先標明相關實物，本文選用一款電動座椅，對其各部件結構和功能了解後，進行尺寸測量和各項資料确定，運用CATIA軟體對單個零件分别模組化，最終組裝形成整個座椅3D模型，如圖1所示。在模組化過程中，将座椅進行簡化，省略一些在後續有限元分析中并未涉及的部件，例如滑軌與坐盆之間的座椅調節裝置之一電機，因其對後續的分析沒有影響，是以模組化過程并未考慮該電機，同時坐盆橫管的彎曲結構采用直管替代。
圖1 座椅骨架總成3D模型
1.2 有限元模型的建立
有限元模型建立通過HyperMesh軟體完成，這是一款有限元前處理器，用于網格劃分及有限元模組化和後續的仿真分析；HyperMesh具備進階的幾何結建構立和網格劃分功能，可以做到高保真模組化[3]。建立并簡化座椅3D模型後，在HyperMesh中建立其有限元模型。首先将零件格式轉換為IGS或STP格式并導入HyperMesh中，進行中面抽取、單元類型選擇和網格劃分[4]。将各個單獨模型進行網格劃分後統一導入軟體，确定好連接配接模拟方式進行裝配。需要注意的是在導入過程中可能會出現部分曲面缺失、錯位、重疊或變形，需要對導入的幾何模型進行檢查和清理，修補完成後，利用相關指令對影響網格劃分品質的工藝孔和工藝部分進行處理，最終建立有限元模型，如圖2所示。
圖2 座椅總成有限元模型
2、座椅靜強度分析
座椅靜強度分析時，先将材料賦予網格模型，對骨架模型進行限制并根據标準要求進行加載，建立載荷集合器用于放置載荷和限制構件，最後建立載荷步，通過Optistruct求解器對模型進行靜強度分析。通過查閱資料，得到在靜強度試驗中，受力的主要部件為靠背，加載時靠背骨架将所受載荷傳遞給座椅的各個部位，近似認為載荷施加在座椅靠背上。運用剛性單元REB3将座椅品質單元作為主節點，将品質單元與靠背上的各節點均勻地連接配接起來，使力傳遞給座椅靠背的各節點，如圖3所示。
圖3 REB3單元模拟靠背的受力狀态
在HyperView中，檢視位移雲圖和應力雲圖，可以看到模型的節點個數和單元個數。由圖4和圖5可以得出依據GB/T 15083—2006《汽車座椅系統強度要求及試驗方法》[5]施加載荷後座椅各部分的位移變化情況，以及各部分的應力情況。
圖4 座椅總成位移雲圖
圖5 座椅總成應力雲圖
分析可得，座椅總成在承受座椅品質20倍的載荷後，最大位移出現在靠背橫梁與靠背右側支柱闆相接的位置，最大位移量為1.684 mm，最大應力出現在左右兩側調角器連接配接闆的中間部分。座椅所用材料為Q235碳素鋼，其屈服極限為 235 MPa，在該載荷作用下，最大應力未超過材料的屈服極限，處于材料的彈性範圍内，是以骨架模型滿足靜強度要求。
3、座椅骨架的優化
通過上述座椅骨架有限元模型的靜強度分析得出，座椅模型符合國家标準對于座椅靜強度的要求。測量得到該座椅骨架的品質為20.95 kg，相對品質較大，會增加整車的品質，影響整車的滾動阻力和空氣阻力，增加整車燃油消耗[6]，不符合經濟環保的理念；是以對座椅骨架進行輕量化優化設計。通過查閱資料[7]，得出在座椅骨架各種輕量化手段中，材料輕量化産生的效果最佳。在材料選取中，需要綜合成本、結構強度、剛度以及材料的減重效果等因素來選擇。對比分析鎂合金、高強鋼、鋁合金3種材料，發現鎂合金成本高，高強鋼密度較高[8]，而鋁合金與冷軋鋼闆具有相似的結構強度和剛度，并且有很好的減重效果；是以，選用6061鋁合金作為座椅骨架相關部件的替換材料。同理，對更換材料後的座椅進行分析，一方面驗證優化材料後的模型特性是否滿足要求，另一方面與優化前的模型進行結構的模态參數對比，如圖6、圖7所示。
圖6 更換材料後座椅靜強度位移雲圖
圖7 更換材料後座椅靜強度應力雲圖
更換材料後，座椅總成品質由20.958 kg減至14.107 kg，減重32.69%，其靜強度分析滿足國家标準。同時，對優化後的座椅模型進行自由模态分析，得到前10階自由模态振型，與鋼制座椅骨架的模态振型對比，發現兩者前幾階頻率相近，可以判斷兩者的動态性能相似；在乘坐舒适性方面，優化後的座椅1階頻率超過了人體共振頻率範圍（0~30 Hz），滿足要求。通過靜強度分析和自由模态分析，得出優化後的座椅模型符合國家标準中對強度、剛度和舒适性的要求[9]。
4、結論
一款電動座椅進行抽取建立3D模型，通過HyperMesh建立有限元模型，所建立的座椅模型按照國家标準進行靜強度檢驗，滿足标準要求。之後進行材料輕量化設計，使座椅減重32.96%。經過研究，得出以下結論：
（1）利用CATIA建立座椅簡化3D模型，省略電機、座椅調節機構、調角器處的彈性元件等對座椅靜強度影響較小的部件，對調角器總成、靠背總成以及坐盆和滑軌精确模組化。建立的模型能夠滿足标準中對于座椅靜強度的要求。
（2）通過結構的靜強度分析，發現座椅的主要承受載荷部位為靠背支柱側闆、調角器總成與靠背側闆及坐盆的連接配接部位。對于坐盆主體部位以及滑軌下部分承受載荷較小，其應用材料可以替換為6061鋁合金。成本上，鋁合金比鎂合金低，可以接受；除此之外，鋁合金具有吸收沖擊能力高、回收再生性能好等優點。采用6061鋁合金實作座椅骨架的輕量化，在滿足國家标準對靜強度要求的基礎上，使座椅總品質減少近1/3。
（3）對座椅靠背總成進行尺寸優化，變成中空結構，既提高了材料的使用率、降低了成本，又在滿足靜強度要求的前提下實作減重。
來源：期刊-《北京汽車》；作者：陳紅飛1，陳轶嵩2
（1. 陝西汽車控股集團有限公司；2. 長安大學 汽車學院）
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