【技術帖】碳纖維復合材料汽車后排座

椅優(yōu)化設計

摘要：汽車座椅是汽車的主要零部件,運用復合材料進行座椅骨架設計

具有積極意義.使用HyperWorks軟件中復合鋪層優(yōu)化的方法對汽車后排座

椅骨架鋪層結構進行優(yōu)化，針對靠背骨架、坐墊骨架和背板采用復合材料

多階段聯(lián)合優(yōu)化方法(自由尺寸優(yōu)化、層疊尺寸優(yōu)化和層疊次序優(yōu)化)求解

最適合的鋪層方案，并進行強度校核.根據(jù)國家標準進行行李箱沖擊試驗仿

真，分析座椅安全性.結果表明，結構優(yōu)化后的模型相對于原鋪層質量減輕

13.6%,且完全滿足行李箱沖擊試驗的強度要求,為復合材料后排座椅行李

箱沖擊試驗提供參考.

關鍵詞：復合材料；座椅骨架；鋪層結構優(yōu)化；安全性

與傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維復合材料的密度更小，比強度和比模量較

高，且具有良好的抗疲勞能力、抗震性能和可設計性.碳纖維復合材料應用

在汽車上，能夠有效減輕車身質量,優(yōu)異的抗沖擊性能可以有效提升汽車的

安全性［1］.相對于金屬部件，復合材料通常為一體成型，可以減少部件數(shù)量,

有效實現(xiàn)輕量化.目前關于碳纖維復合材料在汽車座椅骨架中的應用研究

相對較少，如何應用碳纖維復合材料進行座椅骨架鋪層設計顯得尤為重要.

由于材料和工藝的可設計性，擁有不同的鋪層角度和鋪層順序的復合材料

層合板展現(xiàn)出完全不同的力學性能［.當處于復雜工況時，優(yōu)異的鋪層層

數(shù)、角度和次序可以使層合板結構更好地承載各方向載荷。

本文以某款車型后排座椅骨架模型為研究對象,采用碳纖維增強復合

材料(T300/5222)替換傳統(tǒng)金屬材料，利用HyperWorks軟件中自由尺寸優(yōu)

化、層疊尺寸優(yōu)化和層疊次序優(yōu)化理論進行鋪層結構的優(yōu)化設計，得到最

佳鋪層結構，并對后排座椅進行行李箱沖擊試驗，使其在滿足標準要求的同

時獲得最優(yōu)異的座椅骨架鋪層結構，完成輕量化目標

在后排座椅分析中，座椅骨架是整個座椅系統(tǒng)中的主要承力部件，而蒙

皮、軟墊以及一些懸掛結構主要起到調節(jié)功能以及增加舒適性的要求，在

靜強度分析中剛度的貢獻非常小，所以在建立座椅骨架總成時，對上述結構

進行相應的簡化.座椅骨架總質量為23.64kg,單元數(shù)為89571,座椅骨架

總成有限元模型如圖1所示.

背板

攆腳連接板

圖1座椅骨架有限元模型

依據(jù)國家標準GB15083-2006《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度

要求和試驗方法》進行座椅抗沖擊性試驗.將座椅骨架固定在臺車上，將2

個尺寸為300mmX300mmX300mm,質量為18kg的正方體試驗樣塊放置

在指定位置，具體位置如圖2所示.

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圖2行李塊在車輛中的擺放位置

本試驗設置控制時間步長為3X10-2ms,整個分析時間為120ms.臺車

的初速度為50km/h,同時施加標準中規(guī)定的減速度，減速度波形應處于標

準中規(guī)定的減速度時間曲線限定區(qū)域之內(nèi)，施加的減速度曲線如圖3所示.

圖3臺車減速度曲線

2碳纖維后排座椅骨架優(yōu)化設計

2.1材料的定義

第三個優(yōu)化階段為設計變量鋪層順序，約束條件設置為對稱約束，即

±45°的單層板成對出現(xiàn)；同?角度鋪層數(shù)目不連續(xù)出現(xiàn)超過4層.選擇

Tsai-Wu強度理論校核單層板失效參數(shù).復合材料后排座椅骨架層疊順序優(yōu)

化的優(yōu)化目標依舊設置為最小加權柔度.該過程設計變量和目標函數(shù)保持

不變，模型與式(3)相同.

Fu。：+2F/i/+Fz/+F[0]+F26Vl⑴

式中：Fi和Fij為復合材料應力空間的強度參數(shù)；。為不同方向主應

力；工為剪應力.

初始復合材料后排座椅骨架鋪層模型是根據(jù)以往經(jīng)驗并結合鋪層的一

般原則建立的，仿真后存在著變形過大、背板破裂等問題，因此并不能滿足

座椅法規(guī)中關于后排座椅安全性的要求.對于初始座椅骨架中采用碳纖維

材料的部件(靠背骨架、坐墊骨架、背板)，本文采用復合材料多階段聯(lián)合

優(yōu)化方法,包括自由尺寸優(yōu)化、層疊尺寸優(yōu)化和層疊次序優(yōu)化等對初始鋪

層結構進行優(yōu)化,提高座椅安全性.

2.2碳纖維后排座椅靠背骨架自由尺寸優(yōu)化

在座椅骨架優(yōu)化過程中，每個階段都有相k應的設計變量、約束條件

以及優(yōu)化目標.自由尺寸優(yōu)化是復合材料后排座椅優(yōu)化的第一階段，設計變

量選為背板、坐墊骨架和靠背骨架在不同鋪層角度的鋪層尺寸，約束條件

包括應力、位移以及復合材料的制造約束，優(yōu)化目標設置為各工況下的最

小加權柔度.根據(jù)層合板設計原則：鋪層角度設定為0°、+45。、-45°和

90°;+45°和-45°的鋪層數(shù)量相等；初始總厚度設置為2mm.

表1碳纖維材料相關參數(shù)

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IQ22?1<10IS510.2Ss.o1Ito1210

根據(jù)設計變量、約束條件和優(yōu)化目標建立相對應的自由尺寸優(yōu)化數(shù)學

模型為

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A，.=0〃=1?2?….〃廠〃

NT.-\=0〃=1?2,???/〃H：（2）

式中：WC為加權柔度;M為后排座椅骨架質量;S為各工況下后排座椅骨

架最大位移;Alu與A2u分別為土45°鋪層的鋪層面積;Niu與N2u分別為

±45°鋪層的鋪層數(shù)目.

設置完各變量之后進行自由尺寸優(yōu)化，座椅骨架各部分的總厚

度，0°、+45°（+45°和-45°厚度相等，文中只給出+45°云圖）和90°鋪

層厚度分布如圖4所示.

2.3復合材料后排座椅靠背骨架層疊尺寸優(yōu)化

在第二階段的優(yōu)化系統(tǒng)中，可變的設計變量為坐墊骨架、靠背骨架和

背板的4個方向的層疊尺寸和鋪層厚度.層疊尺寸優(yōu)化過程中的約束條件

包括各工況所對應的位移、質量約束和復合材料的制造工藝約束，目標函

數(shù)依舊沿用自由尺寸優(yōu)化中的最小加權柔度，目標函數(shù)設置為座椅質量最

小.同時.，依據(jù)工程經(jīng)驗，單層板的厚度往往為（）.125mm,因此,對單層板屋

度施加的制造工藝約束即為0.125mm,最終優(yōu)化后的各角度鋪層厚度都為

0.125mm的整數(shù)倍.層疊尺寸優(yōu)化數(shù)學模型為

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A|W--A>=0〃=l?2.???./〃<〃

、；一?、“一0〃—1?2?二?川<〃(3)

式中：Pk為材料密度；Vk為座椅骨架體積.

層疊尺寸優(yōu)化在Optistruct中求解，座椅骨架各個部分的總厚

度，0°、+45°(+45°和-45°厚度相等，文中只給出+45°云圖)和90°鋪

層厚度分布如圖5至圖7所示.經(jīng)過層疊尺寸優(yōu)化后，坐墊骨架、靠背骨架

和背板的鋪層厚度即可確定，為下一步層疊次序優(yōu)化提供基礎.

最小加權柔度響應的優(yōu)化迭代曲線如圖8所示.從圖中可以看出，柔度

變化曲線整體呈現(xiàn)下降趨勢，然后趨于平穩(wěn).經(jīng)過4次迭代,撓度值從1

081.5mm/N降至1050.8mm/N,表明座椅骨架剛度逐漸上升.

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圖4座椅骨架總厚度和不同角度鋪層厚度

厚度/mm厚度/mm

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厚度/mm厚度/mm

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(c)45,鋪層厚度(590,鋪層厚度

圖5靠背骨架總厚度和不同角度鋪層厚度

厚度/mm厚度/mm

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圖6坐墊骨架總厚度和不同角度鋪層厚度

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(c)45,鋪層厚度(d)9U4鋪層厚度

圖7背板總厚度和不同角度鋪層厚度

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迭代次數(shù)

圖8柔度響應迭代曲線

2.4復合材料后排座椅靠背骨架層疊順序優(yōu)化

采用彩色超聲儀器進行診斷，A組患者探頭頻率設置在3.5MHz,在檢

查前保證膀胱屬于充盈狀態(tài)，避免腸道出現(xiàn)氣體，保持仰臥位，通過恥骨

聯(lián)合以上予以掃查處理.，必要情況下，對體位更換，對子宮以及雙側輸卵

管和卵巢等位置充分檢查。

各部件的優(yōu)化迭代結果如圖9所示.最終鋪層結果見表2.

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(C)坐墊一架

圖9各部件層疊次序優(yōu)化

表2復合材料座椅骨架鋪層分布結果

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3優(yōu)化結果和分析

本文基于LS-DYNA3D顯式有限元軟件對建立的座椅沖擊試驗有限元

仿真模型進行分析，沖擊試驗結果如圖10所示.標準要求試驗過程中庫椅

最大變形不超過座椅R點前100mm的參考面，即座椅在x方向的變形量不

于515mm,由圖10可得原座椅結構x方向最大變形量為450.5mm,變形沒

有超過參考面.

圖10座椅骨架變形圖

座椅骨架應力云圖如圖11所示.從圖中可以看出，最大應力值為293.7

MPa,主要發(fā)生在靠背骨架和骨架連接處，低于鋼材Q355和碳