来源 | 汽车轻量化在线
摘要：座椅作为汽车的重要内饰件，其轻量化对整车减重提供了很大帮助，在保证安全性并保持造型美观的基础上，可对座椅进行轻量化设计。以一款车型的电动座椅为例，利用CATIA软件建模，将建立的模型导入HyperMesh中进行网格划分，形成有限元模型并进行模态分析，最后利用Optistruct求解器进行相关的优化，最终得到优化后的模型，实现对座椅轻量化的合理设计。
关键词：汽车电动座椅；HyperMesh；轻量化；有限元仿真
随着汽车排放标准提升，对汽车节能减排的要求愈发严格，各个国家都在研究如何在保证汽车性能的同时，尽可能地减少汽车排放；其中轻量化是一个方向，座椅作为汽车重要且最大的内饰件，可对其进行轻量化。
汽车座椅不仅要求注重舒适性和美观性，而且在车内起着人与车身的连接作用；因此座椅轻量化设计应在满足相关要求和需求的基础上，尽可能地减重[1]。近年来，汽车行业逐渐向环保、可持续发展方向靠拢，如何以较低成本、较少材料和更先进的工艺来生产性能和要求都满足的产品成为研发和生产关注的重点。国外同行提出了衡量人体反馈的座椅设计，可根据不同的人员进行调节，使乘坐者更加舒适[2]。目前大陆在汽车座椅设计和研发方面处于基础阶段，各项核心技术尚未取得显著突破；同时，受限于汽车零部件标准体系不完整，在生产工艺方面不能满足生产制造需求，使得座椅发展较为滞后，但同时也有了提升空间。
1、座椅模型的建立
1.1 3D模型的建立
建立3D模型，首先选定相关实物，本文选用一款电动座椅，对其各部件结构和功能了解后，进行尺寸测量和各项数据确定，运用CATIA软件对单个零件分别建模，最终组装形成整个座椅3D模型，如图1所示。在建模过程中，将座椅进行简化，省略一些在后续有限元分析中并未涉及的部件，例如滑轨与坐盆之间的座椅调节装置之一电机，因其对后续的分析没有影响，所以建模过程并未考虑该电机，同时坐盆横管的弯曲结构采用直管替代。
图1 座椅骨架总成3D模型
1.2 有限元模型的建立
有限元模型建立通过HyperMesh软件完成，这是一款有限元前处理器，用于网格划分及有限元建模和后续的仿真分析；HyperMesh具备高级的几何结构创建和网格划分功能，可以做到高保真建模[3]。建立并简化座椅3D模型后，在HyperMesh中建立其有限元模型。首先将零件格式转换为IGS或STP格式并导入HyperMesh中，进行中面抽取、单元类型选择和网格划分[4]。将各个单独模型进行网格划分后统一导入软件，确定好连接模拟方式进行装配。需要注意的是在导入过程中可能会出现部分曲面缺失、错位、重叠或变形，需要对导入的几何模型进行检查和清理，修补完成后，利用相关命令对影响网格划分质量的工艺孔和工艺部分进行处理，最终建立有限元模型，如图2所示。
图2 座椅总成有限元模型
2、座椅静强度分析
座椅静强度分析时，先将材料赋予网格模型，对骨架模型进行约束并根据标准要求进行加载，建立载荷集合器用于放置载荷和约束构件，最后建立载荷步，通过Optistruct求解器对模型进行静强度分析。通过查阅资料，得到在静强度试验中，受力的主要部件为靠背，加载时靠背骨架将所受载荷传递给座椅的各个部位，近似认为载荷施加在座椅靠背上。运用刚性单元REB3将座椅质量单元作为主节点，将质量单元与靠背上的各节点均匀地连接起来，使力传递给座椅靠背的各节点，如图3所示。
图3 REB3单元模拟靠背的受力状态
在HyperView中，查看位移云图和应力云图，可以看到模型的节点个数和单元个数。由图4和图5可以得出依据GB/T 15083—2006《汽车座椅系统强度要求及试验方法》[5]施加载荷后座椅各部分的位移变化情况，以及各部分的应力情况。
图4 座椅总成位移云图
图5 座椅总成应力云图
分析可得，座椅总成在承受座椅质量20倍的载荷后，最大位移出现在靠背横梁与靠背右侧支柱板相接的位置，最大位移量为1.684 mm，最大应力出现在左右两侧调角器连接板的中间部分。座椅所用材料为Q235碳素钢，其屈服极限为 235 MPa，在该载荷作用下，最大应力未超过材料的屈服极限，处于材料的弹性范围内，所以骨架模型满足静强度要求。
3、座椅骨架的优化
通过上述座椅骨架有限元模型的静强度分析得出，座椅模型符合国家标准对于座椅静强度的要求。测量得到该座椅骨架的质量为20.95 kg，相对质量较大，会增加整车的质量，影响整车的滚动阻力和空气阻力，增加整车燃油消耗[6]，不符合经济环保的理念；因此对座椅骨架进行轻量化优化设计。通过查阅资料[7]，得出在座椅骨架各种轻量化手段中，材料轻量化产生的效果最佳。在材料选取中，需要综合成本、结构强度、刚度以及材料的减重效果等因素来选择。对比分析镁合金、高强钢、铝合金3种材料，发现镁合金成本高，高强钢密度较高[8]，而铝合金与冷轧钢板具有相似的结构强度和刚度，并且有很好的减重效果；因此，选用6061铝合金作为座椅骨架相关部件的替换材料。同理，对更换材料后的座椅进行分析，一方面验证优化材料后的模型特性是否满足要求，另一方面与优化前的模型进行结构的模态参数对比，如图6、图7所示。
图6 更换材料后座椅静强度位移云图
图7 更换材料后座椅静强度应力云图
更换材料后，座椅总成质量由20.958 kg减至14.107 kg，减重32.69%，其静强度分析满足国家标准。同时，对优化后的座椅模型进行自由模态分析，得到前10阶自由模态振型，与钢制座椅骨架的模态振型对比，发现两者前几阶频率相近，可以判断两者的动态性能相似；在乘坐舒适性方面，优化后的座椅1阶频率超过了人体共振频率范围（0~30 Hz），满足要求。通过静强度分析和自由模态分析，得出优化后的座椅模型符合国家标准中对强度、刚度和舒适性的要求[9]。
4、结论
一款电动座椅进行抽取建立3D模型，通过HyperMesh建立有限元模型，所建立的座椅模型按照国家标准进行静强度检验，满足标准要求。之后进行材料轻量化设计，使座椅减重32.96%。经过研究，得出以下结论：
（1）利用CATIA建立座椅简化3D模型，省略电机、座椅调节机构、调角器处的弹性元件等对座椅静强度影响较小的部件，对调角器总成、靠背总成以及坐盆和滑轨精确建模。建立的模型能够满足标准中对于座椅静强度的要求。
（2）通过结构的静强度分析，发现座椅的主要承受载荷部位为靠背支柱侧板、调角器总成与靠背侧板及坐盆的连接部位。对于坐盆主体部位以及滑轨下部分承受载荷较小，其应用材料可以替换为6061铝合金。成本上，铝合金比镁合金低，可以接受；除此之外，铝合金具有吸收冲击能力高、回收再生性能好等优点。采用6061铝合金实现座椅骨架的轻量化，在满足国家标准对静强度要求的基础上，使座椅总质量减少近1/3。
（3）对座椅靠背总成进行尺寸优化，变成中空结构，既提高了材料的利用率、降低了成本，又在满足静强度要求的前提下实现减重。
来源：期刊-《北京汽车》；作者：陈红飞1，陈轶嵩2
（1. 陕西汽车控股集团有限公司；2. 长安大学 汽车学院）
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