LFT汽车座椅骨架结构设计

摘要

　　近些年，随着交通事故的频发，人们对汽车的安全性逐渐重视，各国纷纷出台多种较为严格的、全面的相关安全法规，以此来约束汽车的生产和制造标准。同时，在能源与环境日益紧张的背景下，节能减排的号召也日渐强烈，汽车轻量化的概念应运而生。如何在满足以安全性为前提的条件下，实现车体结构的轻量化设计成为现阶段汽车领域的关注焦点。

　　在众多汽车结构件中，座椅作为车体中直接与人体相接触的部件，直接关系到车内乘员的舒适性和安全性，故汽车座椅的研究也逐渐受到关注，各国更是相继推出了与其相关的座椅安全法规，旨在提高车内乘员的安全性。同时，座椅整体结构与车体质量密不可分，故座椅的轻量化设计也成为各大汽车厂商关注的重点之一。

　　目前实现座椅轻量化设计的手段主要包括座椅结构的优化设计、零件的制造与连接工艺的更新以及新型轻质材料的应用。其中以新型轻质材料代替传统金属材料应用在座椅结构上的方式较为广泛。而在众多车用轻质材料中，纤维增强复合材料以其高比强度、高模量、易于加工成型以及低密度等诸多优点受到广泛关注，并一度成为轻质材料中的研究热点。

　　本文主要针对初始 LFT 座椅骨架结构，依据 GB15083-2006 中与汽车座椅相关的法规标准进行台车试验。同时应用有限元仿真技术，对该座椅骨架结构进行抗行李块冲击台车试验仿真模拟，并与试验结果进行对比验证分析，以保证该仿真模型建立的有效性，为后续基于该模型所做的结构改进提供一定的前期保障。

　　针对未满足法规要求的初始LFT座椅骨架结构简化模型进行拓扑优化与尺寸优化分析，旨在有目的性地提出合理的座椅背板骨架结构设计方案。根据优化结果云图，获得该座椅骨架在受冲击时的受力及其传递情况，同时也可体现合理的材料分布状态。根据优化结果分析，结合长玻璃纤维复合材料以及连续玻璃纤维复合材料的材料特点，参考国内外相关文献，分别提出单一 LFT 座椅骨架结构以及混合 E-LFT 座椅骨架结构的两种轻量化设计方案，并根据法规要求，建立相应的有限元仿真模型进行抗冲击性仿真模拟，使其在满足相应法规要求的同时，实现结构的轻量化设计。同时，提出单一 EF 座椅骨架简单结构，对其进行探索性研究，通过抗冲击性台车试验与仿真模拟的对比分析，以此验证该连续纤维座椅骨架模型建立的有效性，也为后续轻量化结构的设计提供一定的参考意义。

　　文中考虑到纤维增强复合材料的加工工艺可行性，结合设计的两款座椅背板骨架结构，对其进行成型工艺可行性分析，进而提出更加合理可行的座椅背板骨架结构设计方案。

　　关键词：汽车座椅，纤维增强复合材料，有限元仿真，拓扑优化，轻量化

Abstract

　　Recently, with the frequent traffic accidents, people pay more attention to the safety of cars. In order to constrain the production and manufacturing standards of cars, countries have introduced a variety of stringent and comprehensive safety regulations. At the same time, with the increasingly tense energy and the environment, the calls for energy-saving emission reduction are stronger and the concept of lightweight came into being. How to meet the security and lightweight of the cars to become the focus of the current stage of the automotive industry.

　　The seat directly relates to the comfort and safety of occupants in the vehicle because of directly contact with the body among many automotive structural parts, so it concerns about the car seat research gradually. Countries have been launched related seat safety regulations to improve the safety of occupants in the vehicle. At the same time, the overall structure of the seat and body quality are inseparable, so the lightweight design of the seat has become one of the major focus for car manufacturers.

　　At present, the means to achieve the lightweight design of the vehicle seat mainly include the optimization design of the vehicle seat structure, the updates of the manufacture and connection process of the vehicle seat and the application of the new lightweight material. It is a more extensive way to apply lightweight materials instead of traditional metal materials in the seat structure. Among many automotive lightweight materials, fiber reinforced composites have attracted much attention because of high specific strength, high specific rigidity, easy processing and low density, and have become a hotspot in many lightweight materials.

　　This paper developed a passenger vehicle rear seat frame structure for characteristics of long glass fiber reinforced composite materials according to GB15083-2006 appendix related to vehicle seat. At the same time, the finite element simulation technique is used to simulate the test of luggage impacting seat frame structure. Experiment and simulation are compared to ensure the validity of established the simulation model and provide pre-security for structural improvements based on the model.

　　The topology optimization and size optimization analysis of the initial LFT seat frame structure which does not meet the requirements of the regulations are aimed to seek the reasonable design of the structure. It can get the impact and its transmission,but also reflect a reasonable distribution of materials according to the optimization results. Considering the characteristics of long glass fiber composites and continuous glass fiber composites, the two kinds of lightweight design of seat frame structure with LFT and E-LFT are proposed with reference to relevant literatures. And the established simulation models simulate the impact resistances to meet the requirements of the corresponding regulations to achieve lightweight structure design according to the requirements of the regulations. At the same time, a simple seat frame structure with single EF is proposed. The test and simulation are carried out to verify the validity of the continuous fiber seat model, and the design of the lightweight structure is also provided for reference.

　　Taking into account the processing technology of fiber reinforced composite materials, it analyzes the feasibility of process and then put forward more reasonable and feasible designs of two seat frame structures. At the same time, it introduces briefly the latest research on the seat frame structure, which aims to provide reference for the future research on automobile seats.

　　Key words:Vehicle Seats, Fiber Reinforced Composites, Finite Element Simulation, Topology Optimization, Lightweight

　　汽车座椅是整个汽车结构件中与人体接触最紧密的部件，在汽车行驶过程中，直接影响着车内乘员与驾驶员的乘坐舒适性；当汽车发生交通事故时，也直接影响到乘员的安全性。

　　由于座椅直接与人体相连，可通过合理的体压分布为其提供支撑，从而保证乘员在各个工况下的平顺稳定；同时座椅装置上的骨架和座垫等附件的合理设计，可以减缓路面激励带来的振动和冲击，直接关乎到乘员的乘坐舒适性。相比于汽车座椅的乘坐舒适性，其安全性更为重要，也逐渐受到广泛关注。座椅安全性与整车安全性的分类方式相同，主要分为主动安全性和被动安全性。

　　其中座椅的主动安全性，主要针对驾驶员座椅而言，是指座椅能够合理有效地避免交通事故发生的能力。座椅系统的结构设计直接影响驾驶员的坐姿与视野，良好的坐姿可以有效提高驾驶员的愉悦度和集中度，为驾驶员营造一个舒适的工作环境，一定程度上可缓解驾驶疲劳，进而保证汽车操纵的稳定性与驾驶安全性；汽车座椅的被动安全性，即当交通事故不可避免的发生时，座椅能够为车内乘员提供一定的支撑与生存空间。同时可以通过座椅的合理变形和结构设计，将乘员受到的碰撞能量进行吸收或者传递给与座椅相连的车体，进而将乘员的碰撞伤害降至最低程度的性能[1-6]。正是由于座椅结构在汽车装置中的重要作用，故近些年来对汽车座椅的研究和开发也逐渐受到广泛关注。

　　在国外，人们对汽车交通的安全性高度重视，对于座椅被动安全的研究也起步较早，并投入大量的精力进行汽车座椅安全结构的开发与研究。20 世纪 90年代开始，便有学者提出了整体约束式汽车座椅结构的概念，即将安全带三端的固定点都安装在座椅结构上，形成整体式的约束方式。当碰撞发生的时候，座椅不仅能够承受由乘员传递给安全带的能量，同时由于座椅与车体的连接关系，可以间接地将碰撞吸收的能量传递给汽车车体，进而有效的降低车内乘员在碰撞过程中受到的损伤[7-9]。

　　与此同时，国外对于汽车座椅安全法规的建立也起步较早，其中欧、美、日等工业发达国家更是较早制定并逐步完善与其相关的标准和法规，如美国提出的较为全面且详细的联邦机动车安全法规即 FMVSS 法规标准，其中包括多项对座椅安全性的要求，并为了完善其具体内容，开发出相应的专业试验设备；欧洲则提出了推荐性安全法规，即联合国欧洲经济委员会汽车法规 E.C.E，其中也明确提出了关于汽车座椅的安全性法规要求，例如 ECE R17、ECE R14 以及 ECE R44 等相关法规要求。此外，相对于成人座椅安全性的研究，儿童座椅安全性的研究虽起步较晚，但正不断加强。国外较早便提出儿童座椅固定系统（简称 ISOFIX 系统）。该系统的提出主要是为了实现不同座椅接口规格的车型与儿童座椅的匹配。同时伴随着对车载儿童安全意识的逐渐增强，儿童座椅安全性相关法规也不断推出并逐步加强完善，其中 ECE R44《机动车对儿童乘员的约束装置》法规要求被公认为具有较强的全面性和严格性，从而被多个国家借鉴，进而提高了儿童座椅整体的安全性[10-14]。

　　相对于国外现有的研究状况，国内在汽车座椅的开发和研究方面则起步较晚，主要是受限于国内座椅厂商掌握的技术仍主要依托于国外力量，尚不能形成完整的、先进的、独立的汽车座椅研发体系，其中大部分的座椅研究更倾向于驾驶员座椅，对乘员座椅结构的研究和分析更是少之又少。在生产方式上也一直沿用传统的串联式生产，致使生产周期较长，生产成本也较高。一旦出现座椅质量不达标的情况，便盲目增大板厚、壁厚，不能从整体结构进行优化和改良，虽然性能有所提高，但是也带来材料以及生产时间上的浪费，生产制造成本增大的同时也使得整车质量加重，进而影响整车的动力性和燃油经济性。

　　同时，国内关于汽车座椅安全法规的建立也较为落后，虽然是参考国外成熟的座椅标准进行制定，但是内容要求相对而言尚不严格且不完善，评判标准仍然较低，无法提高各个厂商生产座椅安全性的标准，进一步制约了国内汽车座椅的研发和设计进程。

　　近年来，随着汽车保有量的显着增加，人们的安全意识也逐渐提高。各大汽车厂商为了显着提高汽车整体的抗冲击性能，通常采用增大零部件口径，增加板厚等方式来实现，但是重量的增加不仅会带来生产成本的显着提高，也会直接影响到汽车整体的动力性能和燃油经济性。研究表明，若汽车整体质量能够降低，不仅能够显着提高燃油经济性以及汽车行驶的动力性，同时还可以大幅度减少汽车尾气中二氧化碳的排放量，为节能减排做出一定的贡献[15-16]。

　　在现今能源日益紧张，油价迅猛增长，环保问题也逐渐受到各国的高度重视的情况下，汽车的轻量化设计概念应运而生，也成为目前世界汽车业发展的主流方向。所谓汽车轻量化，即在保证汽车基本行驶性能的前提下，通过对车用材料、加工成型工艺以及车体结构等方面的不断更新和优化，以实现降低整车重量的目的，并进一步提高整车的行驶动力性与燃油经济性，同时降低二氧化碳的排放量[15-20]。

　　在汽车众多可轻量化的部件中，内外饰件由于直接与车内乘员相接触，且具有较好的受力工况等诸多特点受到普遍关注。而汽车座椅则是内外饰件中最大的部件，其构成主要包括骨架、蒙皮、泡沫和其他功能件，其中骨架部分占整个座椅结构的 60%-70%，成为主要的重量贡献者，也是整个汽车座椅结构轻量化的目标对象，故如何在满足基本性能前提下，实现座椅背板骨架结构的轻量化则成为各大汽车座椅制造商的研究重点[16,21-24]。

　　目前，实现座椅骨架轻量化的途径主要有三种，与实现汽车轻量化的主要途径大致相同，即对座椅骨架进行优化及结构重新的设计,对座椅中零部件的加工工艺与连接工艺进行轻量化手段的更新,将应用在座椅背板结构中传统的密度较大的金属材料替换为密度较低、强度较高的新型车用轻质材料。

　　（1）结构优化：主要应用有限元仿真技术和多种优化分析手段相结合的方法，通过优化结果分析得到原座椅背板骨架结构的传力路径，在保证该结构需要满足的某些性能（刚度、强度等）目标的前提下，对结构进行重新设计，使其质量降低，以实现轻量化效果。

　　（2）更新零件加工工艺和连接工艺：在座椅零部件制造和连接过程中采用轻型结构，通过设计有效且合理的截面及壁厚等零件参数，让材料充分发挥作用，优化工件结构，尽量减小构件的质量，同时与新型制造和连接工艺进行配合，可以实现减少零件数量，增强零件性能等效果，进一步达到轻量化的目的。

　　（3）轻质材料：以轻质材料代替传统的低强度钢已成为目前轻量化的重要手段。轻质材料在汽车座椅结构中的应用，不仅仅是简单的更换座椅中的零部件材料，同时还根据所采用轻质材料的特性进行结构的重新设计，亦可以结合先进的加工成型技术，进一步实现汽车座椅整体的轻量化效果。

LFT汽车座椅骨架结构设计：

满足法规要求的座椅骨架有限元模型建立

座椅骨架结构受冲击变形

40%座椅骨架优化模型

靠背锁后部的凹槽结构

固定铰处的螺栓固定孔结构

固定锁孔处的螺栓孔

60%座椅骨架背板结构的优化模型

金属把手处的1D 焊点连接

两固定锁孔与刚性板之间的焊点连接

设计区域的划分

60%座椅结构靠背锁固定模块

座椅骨架结构加强筋分布

60%座椅骨架处米字型加强筋

目 录

　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 汽车座椅安全性的研究现状
　　　　1.2 汽车座椅骨架轻量化的研究意义
　　　　1.3 纤维增强复合材料在座椅轻量化中的应用现状及意义
　　　　1.4 本文研究内容
　　第 2 章 初始 LFT 座椅骨架结构抗冲击性试验
　　　　2.1 汽车座椅安全性法规
　　　　2.2 初始 LFT 座椅骨架的结构设计
　　　　　　2.2.1 长玻璃纤维增强复合材料的特点及应用
　　　　　　2.2.2 座椅骨架结构设计
　　　　2.3 初始 LFT 座椅骨架结构的抗冲击性台车试验
　　　　2.4 本章小结
　　第 3 章 初始 LFT 座椅骨架结构的有限元模型建立与验证
　　　　3.1 长玻纤复合材料的材料特性试验
　　　　　　3.1.1 试验样件准备
　　　　　　3.1.2 试验过程
　　　　　　3.1.3 试验结果与分析
　　　　3.2 座椅骨架结构有限元模型的建立
　　　　3.3 座椅骨架结构的抗冲击性仿真与验证
　　　　3.4 本章小结
　　第4章 基于拓扑优化的多形式复合材料座椅骨架结构设计
　　　　4.1 座椅骨架结构的拓扑优化分析
　　　　　　4.1.1 拓扑优化的原理与应用
　　　　　　4.1.2 座椅骨架结构简化模型的建立
　　　　　　4.1.3 座椅骨架结构简化模型的拓扑优化结果与分析
　　　　4.2 方案一：单一 LFT 座椅骨架结构设计
　　　　　　4.2.1 单一 LFT 复杂型座椅骨架结构设计
　　　　　　4.2.2 单一 LFT 简单型座椅骨架结构设计
　　　　4.3 方案二：混合 E-LFT 座椅骨架结构设计
　　　　　　4.3.1 连续纤维的材料特性
　　　　　　4.3.2 混合 E-LFT 座椅骨架结构设计
　　　　4.4 单一 EF 座椅骨架简单结构设计与试验验证
　　　　4.5 本章小结
　　第 5 章 座椅骨架结构的工艺可行性分析
　　　　5.1 聚合物基复合材料的成型工艺
　　　　5.2 座椅骨架的成型工艺可行性分析及结构改进
　　　　　　5.2.1 单一 LFT 座椅骨架的成型工艺可行性分析及结构改进
　　　　　　5.2.2 混合 E-LFT 座椅骨架的成型工艺可行性分析及结构改进
　　　　5.3 本章小结
　　第 6 章 总结与展望
　　参考文献
　　作者简介及科研成果
　　致 谢

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