Altair-OptiStruct拓扑优化功能在儿童座椅金属结构设计中的应用案例分析

摘要

本课题利用Altair-OptiStruct拓扑优化分析软件对儿童座椅内部金属结构件进行轻量化设计研究，优化后结构布局更合理且质量减轻30%，旨在探索了一种结构优化合理设计和省材减重的方法。

一、研究背景

儿童座椅在进行碰撞测试的法规试验中，主要通过座椅内部的金属结构件来承担的冲击力，从而保证整椅结构的完好性，达到保护乘员儿童的效果。在座椅的研发阶段，结构工程师为了顺利通过碰撞测试，往往对金属件进行过剩设计，一方面，可能造成材料浪费、座椅过重；另一方面，可能由于结构过强、吸能效果差，导致儿童假人在冲击过程中各项伤害值超标。为了解决这一问题，尝试对某款产品的金属结构件进行轻量化分析，希望能为结构工程师提供设计方向。

二、分析思路

通过分析该金属结构件在座椅中的装配关系以及法规要求下不同动态工况的受力状态，碰撞主要考察座椅在不同安装方向下的正碰、后碰和侧碰工况。合理地设置约束与加载进行拓扑优化分析，再将优化后结构代入动态工况中进行校核验证，强度满足且假人伤害值达标即可。

三、方法步骤

本案例选取座椅底座上的金属压板件作为研究对象。首先厘清结构件与座椅其他件的连接、接触关系以及碰撞过程中的受力状态，再合理设置优化分析的边界条件，具体步骤：1.两侧与isofix外壳焊接，将其下边缘自由度完全约束；2.孔与底座螺柱连接，对washer单元仅释放Z方向自由度，并对每个孔向下施加载荷500N模拟孔的拉力；3.翻边面与其他金属结构表面接触，在此表面均匀施加200N的载荷。（如下图所示）

 

以质量最小为优化目标，设置应力约束不超过1000MPa,通过优化分析迭代得出结果如下图所示：

对优化后的结构进行校核验证前，首先需要对网格重新划分，然后结合加工工艺问题，对局部结构进行完善，最后得出新的结构如下图所示：

将优化后的新结构代入到座椅中进行动态工况仿真分析，验证其强度以及是否对假人数据有影响，结果如下：

• 优化前该结构应力云图（最大应力650MPa，最大塑形应变0.8%）

• 对比优化前后不同工况的假人数据无明显差异。

四、结论与展望

1. 优化区域的分布云图比较直观的呈现出结构的受力规律，可直接作为结构设计思路提供方向；
2. 优化后的结构满足强度要求，且假人的各项数据无明显变化，质量减少30%，理论上达到了省材减重的目的，当然仿真的可靠性离不开试验数据的支持，对于理论的结果需采取与试验对标的方式进行；
3. 优化软件计算得出的结果存在制造工艺的问题，需结合实际合理对结构进行重新设计；
4. 本次优化响应选取的较为简单，且静态线性分析与真实的碰撞工况存在偏差；因此，想要得出更精确地结果，对于边界条件的设置以及优化响应的选取需要进行更深入的研究，比如等效静态载荷法，欢迎各位前来探讨。