技术干货丨基于仿真驱动的座椅结构正向设计方法研究

*本文投稿自汽车行业用户方永利

本文采用 Altair OptiStruct 求解器在概念设计阶段，通过引入拓扑优化技术，结合等效静态载荷法，将冲击工况的非线性动态载荷转化为等效静态载荷，与线性静态工况结合进行多学科多工况的拓扑优化。此方法能够在设计自由度较高的概念阶段确定最优的材料分布和形状，为后续减重降本设计奠定基础。

具体而言，概念阶段的拓扑优化方案可使整车减重约2Kg，单车降本约80元。该方法不仅弥补了传统逆向设计的不足，实现了从知其然到知其所以然的转变，而且通过结构优化设计而非简单的材料替换，达到了既减重又降本的效果。

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前言

随着能源危机和环境污染问题的加剧，汽车行业对节能减排的要求越来越高。汽车轻量化成为实现这一目标的重要途径。对于燃油车而言，汽车质量每减少100kg，每百公里可节省燃油0.3～0.5L，碳排放减少8～11g，同时提升操控体验和降低用车成本。新能源汽车由于没有尾气排放，具有更显著的节能减排优势，但在续航方面面临较大压力。汽车重量每减少100kg，续航里程可增加2.4%，因此轻量化成为解决续航焦虑的关键。

在现代工业设计中，汽车座椅除了提供基本的乘坐功能外，还通过零重力座椅、福祉座椅等设计提升了舒适性和安全性，但这些功能的增加也带来了重量的提升。传统汽车座椅多采用钢制结构，重量较大，不符合轻量化需求。镁合金作为一种轻质合金，其密度约为1.8g/cm3，远低于钢的7.85g/cm3。虽然镁合金的力学性能低于钢，但在比强度和比模量方面具有明显优势，且具有良好的铸造性和较低的比热容，适合用作轻量化座椅骨架材料。

传统座椅设计方法依赖经验试错，耗时长且成本高，难以全面考虑各种工况。为此，提出了一种基于多学科多工况拓扑优化的方法，该方法在概念设计阶段综合考虑模态、刚度和冲击工况等关键因素，通过仿真驱动设计优化，平衡性能、成本和重量。

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座椅性能分析

在座椅结构正向设计过程中，首先需要明确座椅的使用工况和性能要求。如国家标准要求的汽车安全带固定点及 ISOFIX 固定点系统及上拉带固定点强度，C-IASA 或 C-NCAP 要求的冲击强度，以及座椅骨架的静态刚强度等。这些工况包括静态负载、动态冲击、振动等方面。

其中静态负载工况主要考察座椅需要承受乘客的静态重量，并保持结构的稳定性和耐久性。通过仿真分析，可以评估座椅在静态负载下的应力分布和变形情况，确保结构的安全性和可靠性。如图1所示，坐垫向下强度分析工况。要求坐垫骨架和骨架支架在受载后无破裂，高度调节结构和滑道锁止结构无破裂，滑轨锁止机构不失效，并可以打开。其他工况还包括靠背静强度、头枕静强度、扭转刚强度、横向刚强度、侧向刚强度、安全带固定点强度等。

图1坐垫向下强度工况

动态冲击工况主要考察车辆在行驶过程中，座椅可能会受到来自不同方向的动态冲击，如急刹车、碰撞等。通过仿真分析，可以模拟这些冲击工况，评估座椅的吸能能力和乘客的保护效果。如图2所示，正面碰撞分析工况。模拟车辆在正面发生碰撞时，座椅对乘客的保护效果。分析重点包括座椅的吸能性能、安全带的约束效果等。其他工况还包括后碰、头枕冲击、20G冲击、鞭打等。

图2正碰工况

振动分析主要考察车辆行驶过程中的振动会对座椅的舒适性和乘客的乘坐体验产生影响。通过仿真分析，可以评估座椅在不同振动频率和振幅下的响应特性，并进行相应的优化设计。如图3所示，模态分析，模拟座椅骨架的振动特性。

图3模态工况

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概念阶段拓扑优化

拓扑优化是一种先进的设计方法，用于在给定的设计空间内找到最优的材料分布，以满足特定的性能目标。这种方法在结构设计中广泛应用，特别是在汽车、航空航天、机械和建筑等领域。拓扑优化可以帮助设计者在减轻重量、提高强度、减少材料成本等方面取得显著效果。拓扑优化是在给定的设计区域内，通过数学方法确定材料的最佳分布，以达到特定的性能目标。这些目标通常包括最小化重量、最大化刚度、最小化应力或最大化频率响应等。常见的拓扑优化方法包括：密度法，将设计区域划分为多个单元，每个单元的密度可以变化。通过迭代优化单元密度，找到最优的材料分布。变厚度法，在结构的每一部分上施加不同的厚度，通过优化厚度分布来达到性能目标。水平集法，使用水平集函数来描述材料和空洞的界面，通过演化水平集函数来优化材料分布。进化结构优化，通过逐步移除不必要或低效的材料，逐步优化结构。

拓扑优化的传统方法是基于灵敏度分析，这对于线性静态问题来说是很容易获得的。当必须考虑碰撞载荷情况时，必须考虑高度非线性动态碰撞问题的特殊性。在碰撞过程中结构会发生大变形。分析所使用的材料定律也是非线性的，动能被塑性变形所吸收。为了正确预测材料性能，必须考虑应变率相关性和复杂的失效准则。大部分力是通过接触传递的。这些由于材料非线性、几何和网格以及载荷和边界条件的瞬态特性之间的复杂相互作用，推导动态分析的解析灵敏度是非常困难的。因此，传统的基于灵敏度的拓扑优化方法不适用于涉及结构碰撞问题。

针对以上问题，本文采用等效静态载荷法将非线性动态分析域和线性静态优化域相结合。通过将非线性动态模拟的离散时间提取等效静态载荷。使其在线性静态优化的分析状态中结构产生的响应与动态特性中特定时间的非线性动态响应具有相同的载荷场。使用等效静态载荷在多个载荷条件下执行线性静态优化。由于非线性，其他结构响应（如应变和应力）在分析和优化域中并不相同。因此，优化过程只考虑整体结构的刚度特性，遵循刚度设计强度校核的设计原则。整个优化过程中关键的处理过程包括：1、工况的选择；2、动态载荷提取；3、拓扑优化设置。

3.1 工况选择

如第1章所述，座椅的性能分析工况包括静态刚强度、模态、动态冲击等数十种工况。在拓扑优化分析过程中，需要考虑优化效率和优化效果。包括优化迭代计算时间，收敛情况及优化结果合理性等。因此需要在数十种工况中选取关键工况做为拓扑优化分析时考察的工况。选取工况的主要原则是根据当前的性能状态，性能余量，工况的受力特点及历史分析数据结果等因素进行综合选取拓扑优化的分析工况。本文以某项目二排，三排座椅为例。该项目二排座椅坐垫骨架和靠背骨架，三排座椅脚架，靠背骨架和背板均为镁合金材料。二排、三排座椅骨架概念数据如图4和图5所示。

图4二排座椅骨架概念方案数据

图5三排座椅骨架概念方案数据

其中，二排座椅根据拓扑优化工况选取原则，选取95假人正碰工况，安全带固定点强度工况，侧向刚度工况和模态工况。三排座椅选取95假人后碰工况，ISOFIX 工况，行李箱冲击工况，侧向刚度工况和模态工况。初始设计方案性能见表1。

表1 二排/三排座椅初始方案性能结果

3.2 动态载荷提取

对于选取的关键工况中的动态冲击工况，需要将动态载荷大小及位置提取出来，加载到线性静态优化模型中。当座椅在概念设计阶段，还没有数据支撑进行整椅的仿真分析。因此我们可以通过参考相近座椅结构的历史仿真结果来做载荷的提取。以二排座椅为例，需要将95假人正碰工况和安全带固定点强度工况的载荷大小，作用方向和位置等边界条件提取到线性静态优化模型中，等效为线性工况进行拓扑优化分析。通过对座椅骨架在正碰工况和安全带安装点强度仿真工况的仿真结果分析，提取座椅坐垫骨架以及安全带安装点位置的极限受力状态时的载荷值以及受力位置做为线性静态优化分析工况的载荷边界条件。正碰工况受力状态下假人与座椅接触力及安全带受力结果见图6和图7。

图6正碰工况座垫极限力状态

图7正碰工况安全带极限力状态

如图6所示，此时座垫骨架的受力最大，提取此时座垫的接触力和接触区域，以及安全带的力值和安全带角度做为等效静态载荷工况的边界条件。按相同的处理方法，提取安全带极限力状态下的动态载荷做为等效静态工况的载荷边界条件。安全带固定点强度工况的动态载荷受力状态见图8。

图8安全带固定点强度工况

动态载荷的提取方法同上。三排座椅的动态载荷提取包括95假人后碰工况，ISOFIX 工况和行李箱冲击工况。处理方法同上。

3.3 拓扑优化设置

对于二排坐垫骨架和三排脚架，我们需要通过拓扑优化来确定最优的加强筋布置方式。因此，需要将优化空间进行包络填充。初始设计方案数据见图9和图10。填充拓扑空间后数据见图11和图12。

图9二排座椅坐垫骨架初始设计方案

图10三排座椅脚架初始设计方案

图11二排座椅坐垫骨架填充拓扑空间

图12三排座椅脚架填充拓扑空间

为了让拓扑优化结果符合制造工艺条件约束且结果更具有明确的指导意义。拓扑优化分析设置增加了最小成员尺寸，拔模方向和模式组制造约束。最小成员尺寸约束控制拓扑优化结果中材料保留部分的最小尺寸，可以控制棋盘格现象和离散程度。拔模方向约束使结果适合于铸造工艺。模式组约束让结果具有对称性。拓扑优化的设计空间包括二排座椅坐垫骨架，三排座椅脚架，靠背骨架和背板。设计约束见表2。以质量最小为设计目标。拓扑优化分析模型见图13和图14。

表2 二排/三排座椅拓扑优化设计约束表

图13二排座椅拓扑优化模型

图14三排座椅拓扑优化模型

3.4 拓扑优化结果

通过拓扑优化迭代计算，二排座椅和三排座椅均满足约束条件，拓扑结果为可行解。二排座椅骨架拓扑优化结果见图15。通过对二排座垫骨架拓扑优化结果进行解析。优化方案重新布置两侧加强筋的位置，并在两侧位置进行开孔减材优化。结构优化方案见图16。三排座椅骨架拓扑优化结果见图17。通过对三排座椅骨架拓扑优化结果进行解析。三排座椅脚架重新布置中间和两侧的筋的位置，结构优化方案见图18。三排座椅靠背骨架进行减材优化，结构优化方案见图19。三排背板进行减材优化，结构优化方案见图20。

图15二排座椅拓扑优化分析结果

图16二排座垫骨架结构优化方案

图17三排座椅拓扑优化分析结果

图18三排脚架结构优化方案

图19三排靠背结构优化方案

图20三排背板结构优化方案

将新的方案数据进行性能验证分析，分析结果见表3。从表3结果可以看出，二排座椅骨架经过拓扑优化分析，结构优化方案性能提升平均约为4.7%，最高8.3%，减重量0.6kg，减重比约为12.7%。三排座椅骨架结构优化方案性能提升平均约为13.2%，最高19.4%，减重量0.27Kg，减重比约为10.9%。

表3 二排/三排座椅拓扑优化方案性能验证结果

拓扑优化可以在产品设计自由度较高时通过仿真驱动设计，综合考察主要性能，进行结构的正向设计。传统的产品开发流程中，概念设计阶段不进行产品性能仿真分析，设计往往以逆向或半正向的方式进行。仅当具有详细的数据时才进行性能仿真分析，当性能不满足要求时进行方案优化，此时产品的设计自由度受限于布置空间，方案选型等等因素大大降低。性能优化也往往是通过打补丁的方式。而且通常需要两到三轮的仿真优化，造成分析设计周期长，成本控制和轻量化效果不好等结果。而通过在概念阶段进行拓扑优化分析，提前进行仿真优化，综合考察主要性能，进行结构的正向设计。可以提升产品数据成熟度及减少仿真优化轮次，进而缩短开发周期。且通过完全正向设计，使得结构设计更加合理，在优化的过程中可以更好地平衡性能，成本和轻量化等多方因素。

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结论

基于仿真驱动的座椅结构正向设计方法是一种高效、准确的设计方法。使用 Optistruct 在概念设计阶段，通过拓扑优化确定最优的材料分布和形状。本文主要结论：

1）在座椅的概念设计阶段就介入仿真分析，通过使用拓扑优化进行座椅的正向结构设计，可以在设计自由度较高时确定最优的材料分布和形状。为了更准确地在概念阶段全面的考察主要性能分析工况，使用等效静态载荷法将冲击工况的非线性动态载荷转化为等效静态载荷，并与其他线性静态工况结合进行多学科多工况拓扑优化。概念阶段拓扑优化分析为减重降本设计打下良好的结构设计基础。同时，较传统的先设计后校核的方式相比，可以提前一轮进行性能仿真分析，提前提高产品设计成熟度。从而减少分析优化的轮次，缩短开发周期。拓扑优化方案整车减重约2Kg，单车降本约80元。

2）通过仿真驱动的座椅产品结构正向设计，弥补了传统通过对标等逆向设计的不足，从知其然到知其所以然。仿真驱动的优化往往通过结构优化设计，不同于简单的材料替换方案，如轻质合金替代钢制结构这种减重但增加成本的方案。往往是既减重又降本的结构优化方案。

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