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                    LFT汽車座椅骨架結構設計

                    添加時間:2019/07/12 來源:吉林大學 作者:徐婷婷
                    近些年,隨著汽車保有量的不斷增加,汽車安全性也逐漸受到廣泛關注,其中包括汽車的主動安全性和被動安全性;同時,隨著能源與環境問題的日益嚴重,汽車的燃油經濟性問題以及尾氣排放問題也受到嚴格地制約。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘要

                      近些年,隨著交通事故的頻發,人們對汽車的安全性逐漸重視,各國紛紛出臺多種較為嚴格的、全面的相關安全法規,以此來約束汽車的生產和制造標準。同時,在能源與環境日益緊張的背景下,節能減排的號召也日漸強烈,汽車輕量化的概念應運而生。如何在滿足以安全性為前提的條件下,實現車體結構的輕量化設計成為現階段汽車領域的關注焦點。

                      在眾多汽車結構件中,座椅作為車體中直接與人體相接觸的部件,直接關系到車內乘員的舒適性和安全性,故汽車座椅的研究也逐漸受到關注,各國更是相繼推出了與其相關的座椅安全法規,旨在提高車內乘員的安全性。同時,座椅整體結構與車體質量密不可分,故座椅的輕量化設計也成為各大汽車廠商關注的重點之一。

                      目前實現座椅輕量化設計的手段主要包括座椅結構的優化設計、零件的制造與連接工藝的更新以及新型輕質材料的應用。其中以新型輕質材料代替傳統金屬材料應用在座椅結構上的方式較為廣泛。而在眾多車用輕質材料中,纖維增強復合材料以其高比強度、高模量、易于加工成型以及低密度等諸多優點受到廣泛關注,并一度成為輕質材料中的研究熱點。

                      本文主要針對初始 LFT 座椅骨架結構,依據 GB15083-2006 中與汽車座椅相關的法規標準進行臺車試驗。同時應用有限元仿真技術,對該座椅骨架結構進行抗行李塊沖擊臺車試驗仿真模擬,并與試驗結果進行對比驗證分析,以保證該仿真模型建立的有效性,為后續基于該模型所做的結構改進提供一定的前期保障。

                      針對未滿足法規要求的初始LFT座椅骨架結構簡化模型進行拓撲優化與尺寸優化分析,旨在有目的性地提出合理的座椅背板骨架結構設計方案。根據優化結果云圖,獲得該座椅骨架在受沖擊時的受力及其傳遞情況,同時也可體現合理的材料分布狀態。根據優化結果分析,結合長玻璃纖維復合材料以及連續玻璃纖維復合材料的材料特點,參考國內外相關文獻,分別提出單一 LFT 座椅骨架結構以及混合 E-LFT 座椅骨架結構的兩種輕量化設計方案,并根據法規要求,建立相應的有限元仿真模型進行抗沖擊性仿真模擬,使其在滿足相應法規要求的同時,實現結構的輕量化設計。同時,提出單一 EF 座椅骨架簡單結構,對其進行探索性研究,通過抗沖擊性臺車試驗與仿真模擬的對比分析,以此驗證該連續纖維座椅骨架模型建立的有效性,也為后續輕量化結構的設計提供一定的參考意義。

                      文中考慮到纖維增強復合材料的加工工藝可行性,結合設計的兩款座椅背板骨架結構,對其進行成型工藝可行性分析,進而提出更加合理可行的座椅背板骨架結構設計方案。

                      關鍵詞:汽車座椅,纖維增強復合材料,有限元仿真,拓撲優化,輕量化

                    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

                     

                      汽車座椅是整個汽車結構件中與人體接觸最緊密的部件,在汽車行駛過程中,直接影響著車內乘員與駕駛員的乘坐舒適性;當汽車發生交通事故時,也直接影響到乘員的安全性。

                      由于座椅直接與人體相連,可通過合理的體壓分布為其提供支撐,從而保證乘員在各個工況下的平順穩定;同時座椅裝置上的骨架和座墊等附件的合理設計,可以減緩路面激勵帶來的振動和沖擊,直接關乎到乘員的乘坐舒適性。相比于汽車座椅的乘坐舒適性,其安全性更為重要,也逐漸受到廣泛關注。座椅安全性與整車安全性的分類方式相同,主要分為主動安全性和被動安全性。

                      其中座椅的主動安全性,主要針對駕駛員座椅而言,是指座椅能夠合理有效地避免交通事故發生的能力。座椅系統的結構設計直接影響駕駛員的坐姿與視野,良好的坐姿可以有效提高駕駛員的愉悅度和集中度,為駕駛員營造一個舒適的工作環境,一定程度上可緩解駕駛疲勞,進而保證汽車操縱的穩定性與駕駛安全性;汽車座椅的被動安全性,即當交通事故不可避免的發生時,座椅能夠為車內乘員提供一定的支撐與生存空間。同時可以通過座椅的合理變形和結構設計,將乘員受到的碰撞能量進行吸收或者傳遞給與座椅相連的車體,進而將乘員的碰撞傷害降至最低程度的性能[1-6]。正是由于座椅結構在汽車裝置中的重要作用,故近些年來對汽車座椅的研究和開發也逐漸受到廣泛關注。

                      在國外,人們對汽車交通的安全性高度重視,對于座椅被動安全的研究也起步較早,并投入大量的精力進行汽車座椅安全結構的開發與研究。20 世紀 90年代開始,便有學者提出了整體約束式汽車座椅結構的概念,即將安全帶三端的固定點都安裝在座椅結構上,形成整體式的約束方式。當碰撞發生的時候,座椅不僅能夠承受由乘員傳遞給安全帶的能量,同時由于座椅與車體的連接關系,可以間接地將碰撞吸收的能量傳遞給汽車車體,進而有效的降低車內乘員在碰撞過程中受到的損傷[7-9]。

                      與此同時,國外對于汽車座椅安全法規的建立也起步較早,其中歐、美、日等工業發達國家更是較早制定并逐步完善與其相關的標準和法規,如美國提出的較為全面且詳細的聯邦機動車安全法規即 FMVSS 法規標準,其中包括多項對座椅安全性的要求,并為了完善其具體內容,開發出相應的專業試驗設備;歐洲則提出了推薦性安全法規,即聯合國歐洲經濟委員會汽車法規 E.C.E,其中也明確提出了關于汽車座椅的安全性法規要求,例如 ECE R17、ECE R14 以及 ECE R44 等相關法規要求。此外,相對于成人座椅安全性的研究,兒童座椅安全性的研究雖起步較晚,但正不斷加強。國外較早便提出兒童座椅固定系統(簡稱 ISOFIX 系統)。該系統的提出主要是為了實現不同座椅接口規格的車型與兒童座椅的匹配。同時伴隨著對車載兒童安全意識的逐漸增強,兒童座椅安全性相關法規也不斷推出并逐步加強完善,其中 ECE R44《機動車對兒童乘員的約束裝置》法規要求被公認為具有較強的全面性和嚴格性,從而被多個國家借鑒,進而提高了兒童座椅整體的安全性[10-14]。

                      相對于國外現有的研究狀況,國內在汽車座椅的開發和研究方面則起步較晚,主要是受限于國內座椅廠商掌握的技術仍主要依托于國外力量,尚不能形成完整的、先進的、獨立的汽車座椅研發體系,其中大部分的座椅研究更傾向于駕駛員座椅,對乘員座椅結構的研究和分析更是少之又少。在生產方式上也一直沿用傳統的串聯式生產,致使生產周期較長,生產成本也較高。一旦出現座椅質量不達標的情況,便盲目增大板厚、壁厚,不能從整體結構進行優化和改良,雖然性能有所提高,但是也帶來材料以及生產時間上的浪費,生產制造成本增大的同時也使得整車質量加重,進而影響整車的動力性和燃油經濟性。

                      同時,國內關于汽車座椅安全法規的建立也較為落后,雖然是參考國外成熟的座椅標準進行制定,但是內容要求相對而言尚不嚴格且不完善,評判標準仍然較低,無法提高各個廠商生產座椅安全性的標準,進一步制約了國內汽車座椅的研發和設計進程。

                      近年來,隨著汽車保有量的顯著增加,人們的安全意識也逐漸提高。各大汽車廠商為了顯著提高汽車整體的抗沖擊性能,通常采用增大零部件口徑,增加板厚等方式來實現,但是重量的增加不僅會帶來生產成本的顯著提高,也會直接影響到汽車整體的動力性能和燃油經濟性。研究表明,若汽車整體質量能夠降低,不僅能夠顯著提高燃油經濟性以及汽車行駛的動力性,同時還可以大幅度減少汽車尾氣中二氧化碳的排放量,為節能減排做出一定的貢獻[15-16]。

                      在現今能源日益緊張,油價迅猛增長,環保問題也逐漸受到各國的高度重視的情況下,汽車的輕量化設計概念應運而生,也成為目前世界汽車業發展的主流方向。所謂汽車輕量化,即在保證汽車基本行駛性能的前提下,通過對車用材料、加工成型工藝以及車體結構等方面的不斷更新和優化,以實現降低整車重量的目的,并進一步提高整車的行駛動力性與燃油經濟性,同時降低二氧化碳的排放量[15-20]。

                      在汽車眾多可輕量化的部件中,內外飾件由于直接與車內乘員相接觸,且具有較好的受力工況等諸多特點受到普遍關注。而汽車座椅則是內外飾件中最大的部件,其構成主要包括骨架、蒙皮、泡沫和其他功能件,其中骨架部分占整個座椅結構的 60%-70%,成為主要的重量貢獻者,也是整個汽車座椅結構輕量化的目標對象,故如何在滿足基本性能前提下,實現座椅背板骨架結構的輕量化則成為各大汽車座椅制造商的研究重點[16,21-24]。

                      目前,實現座椅骨架輕量化的途徑主要有三種,與實現汽車輕量化的主要途徑大致相同,即對座椅骨架進行優化及結構重新的設計,對座椅中零部件的加工工藝與連接工藝進行輕量化手段的更新,將應用在座椅背板結構中傳統的密度較大的金屬材料替換為密度較低、強度較高的新型車用輕質材料。

                     。1)結構優化:主要應用有限元仿真技術和多種優化分析手段相結合的方法,通過優化結果分析得到原座椅背板骨架結構的傳力路徑,在保證該結構需要滿足的某些性能(剛度、強度等)目標的前提下,對結構進行重新設計,使其質量降低,以實現輕量化效果。

                     。2)更新零件加工工藝和連接工藝:在座椅零部件制造和連接過程中采用輕型結構,通過設計有效且合理的截面及壁厚等零件參數,讓材料充分發揮作用,優化工件結構,盡量減小構件的質量,同時與新型制造和連接工藝進行配合,可以實現減少零件數量,增強零件性能等效果,進一步達到輕量化的目的。

                     。3)輕質材料:以輕質材料代替傳統的低強度鋼已成為目前輕量化的重要手段。輕質材料在汽車座椅結構中的應用,不僅僅是簡單的更換座椅中的零部件材料,同時還根據所采用輕質材料的特性進行結構的重新設計,亦可以結合先進的加工成型技術,進一步實現汽車座椅整體的輕量化效果。

                    LFT汽車座椅骨架結構設計:

                    滿足法規要求的座椅骨架有限元模型建立
                    滿足法規要求的座椅骨架有限元模型建立

                    座椅骨架結構受沖擊變形
                    座椅骨架結構受沖擊變形

                    40%座椅骨架優化模型
                    40%座椅骨架優化模型

                    靠背鎖后部的凹槽結構
                    靠背鎖后部的凹槽結構

                    固定鉸處的螺栓固定孔結構
                    固定鉸處的螺栓固定孔結構

                    固定鎖孔處的螺栓孔
                    固定鎖孔處的螺栓孔

                    60%座椅骨架背板結構的優化模型
                    60%座椅骨架背板結構的優化模型

                    金屬把手處的1D 焊點連接
                    金屬把手處的1D 焊點連接

                    兩固定鎖孔與剛性板之間的焊點連接
                    兩固定鎖孔與剛性板之間的焊點連接

                    設計區域的劃分
                    設計區域的劃分

                    60%座椅結構靠背鎖固定模塊
                    60%座椅結構靠背鎖固定模塊

                    座椅骨架結構加強筋分布
                    座椅骨架結構加強筋分布

                    60%座椅骨架處米字型加強筋
                    60%座椅骨架處米字型加強筋

                    目 錄

                      第 1 章 緒論
                        1.1 汽車座椅安全性的研究現狀
                        1.2 汽車座椅骨架輕量化的研究意義
                        1.3 纖維增強復合材料在座椅輕量化中的應用現狀及意義
                        1.4 本文研究內容
                      第 2 章 初始 LFT 座椅骨架結構抗沖擊性試驗
                        2.1 汽車座椅安全性法規
                        2.2 初始 LFT 座椅骨架的結構設計
                          2.2.1 長玻璃纖維增強復合材料的特點及應用
                          2.2.2 座椅骨架結構設計
                        2.3 初始 LFT 座椅骨架結構的抗沖擊性臺車試驗
                        2.4 本章小結
                      第 3 章 初始 LFT 座椅骨架結構的有限元模型建立與驗證
                        3.1 長玻纖復合材料的材料特性試驗
                          3.1.1 試驗樣件準備
                          3.1.2 試驗過程
                          3.1.3 試驗結果與分析
                        3.2 座椅骨架結構有限元模型的建立
                        3.3 座椅骨架結構的抗沖擊性仿真與驗證
                        3.4 本章小結
                      第4章 基于拓撲優化的多形式復合材料座椅骨架結構設計
                        4.1 座椅骨架結構的拓撲優化分析
                          4.1.1 拓撲優化的原理與應用
                          4.1.2 座椅骨架結構簡化模型的建立
                          4.1.3 座椅骨架結構簡化模型的拓撲優化結果與分析
                        4.2 方案一:單一 LFT 座椅骨架結構設計
                          4.2.1 單一 LFT 復雜型座椅骨架結構設計
                          4.2.2 單一 LFT 簡單型座椅骨架結構設計
                        4.3 方案二:混合 E-LFT 座椅骨架結構設計
                          4.3.1 連續纖維的材料特性
                          4.3.2 混合 E-LFT 座椅骨架結構設計
                        4.4 單一 EF 座椅骨架簡單結構設計與試驗驗證
                        4.5 本章小結
                      第 5 章 座椅骨架結構的工藝可行性分析
                        5.1 聚合物基復合材料的成型工藝
                        5.2 座椅骨架的成型工藝可行性分析及結構改進
                          5.2.1 單一 LFT 座椅骨架的成型工藝可行性分析及結構改進
                          5.2.2 混合 E-LFT 座椅骨架的成型工藝可行性分析及結構改進
                        5.3 本章小結
                      第 6 章 總結與展望
                      參考文獻
                      作者簡介及科研成果
                      致 謝

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