基于多工况的汽车座椅骨架轻量化设计探究.pdf
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1、中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期:2023 年 12 月 21 日 作者简介:刘熊飞(1987),男,汉族,河北定州人,硕士研究生,浙江极氪汽车研究开发有限公司,初级工程师,研究方向为基于多工况的汽车座椅骨架轻量化设计探究。-79-基于多工况的汽车座椅骨架轻量化设计探究 刘熊飞1 郝 鹏2 1.浙江极氪汽车研究开发有限公司,浙江 宁波 315000 2.吉利汽车研究院(宁波)有限公司,浙江 宁波 315000 摘要:摘要:汽车轻量化是汽车产品未来的发展趋势,特别是在当前新能源汽车发展速度持续加快的行业背景下。轻量化设计理念有助于提升新能源汽车产品的整体性能,汽车座椅作为整车关键部件,其轻
2、量化设计得到了设计者的高度重视。设计者在围绕座椅骨架采用轻量化设计方法时,应当充分关注汽车在不同工况下的设计要求。本文首先分析了多工况下的汽车座椅骨架设计要求,而后提出了较为常用的座椅骨架轻量化设计技术,最后从灵敏度分析、结构优化、轻量化材料应用、工艺技术优化的角度探讨了座椅骨架轻量化设计思路,以此为汽车座椅的优化设计提供可行性建议。关键词:关键词:多工况;汽车座椅骨架;轻量化设计 中图分类号:中图分类号:TH122 汽车新增量与保有量持续增加,汽车对于颗粒物、有害气体、二氧化碳的排放量及其耗油量也随之增多。随着“双碳”目标体系形成,汽车行业面对的环保压力越来越大,其必须解决制约自身实现可持续
3、发展的污染以及耗能问题。汽车设计轻量化也成为汽车产品的必然发展趋势。在轻量化设计理念的引导下,设计者需要在确保整车的刚度与强度的条件下,利用轻量化材料与结构体系,来降低整车质量,进而促进燃油经济性的有效提升,并达成减排目标。现从多工况应用视角出发,探讨汽车座椅骨架轻量化设计相关内容。1 汽车座椅的主要工况分析 1.1 汽车座椅设计要求与原则 为汽车设计轻量化座椅时,设计者应意识到轻量化并非最终的设计目标,必须确保采用轻量化设计方案的基础上,所获取的收益与成本之间能够保持合理的比例,以此才能够使轻量化设计行为显现出其应有的价值。除了设计收益之外,还应重点关注设计风险,确保座椅设计成果符合舒适性与
4、安全性的设计条件。当前不少围绕汽车座椅骨架设计的相关研究都只考虑到单一工况,但从汽车的实际行驶情况来看,其往往会遭遇多种不同的工况。座椅作为汽车产品的重要内饰件以及处于关键位置的被动保护装置,其无论是处于动态工况,还是静态工况都应当符合安全法规所提出的要求1。1.2 动态工况分析 当汽车处于动态的工况下时,处于汽车内部的座椅需要符合汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法(GB 150832019)所提出的设计要求。依托滑车试验台来开展座椅行李箱相互碰撞测试2。选取的行李箱试验块的质量是 18kg,尺寸规格为 300mm300mm300mm,数量为 2 个,将行李箱试验块置于行李舱地板上
5、,与座椅靠背相距 200mm,其处于座椅靠背后方。试验期间,针对台车装置施加 20kg 以上的水平减速度,持续施加 30ms。碰撞期间以及碰撞动作结束后,锁止装置以及座椅一直处于原有位置,碰撞动作完成后,允许座椅骨架出现部分部位撕裂以及发生塑性变形的情况,但不可直接断开。1.3 静态工况分析 当汽车处于静态工况下时,其座椅必须符合汽车安全带安装固定点、ISOFIX 固定点及上拉带固定点(GB 141672013)提出的相关要求。展开安全带拉伸测试时,顺沿水平面区域向上角度为 10的方向上,将(22.250.20)kN 的载荷施加到试验所用人体模型的膝盖部位,并将达到座椅总承重量数值 20 倍之
6、多的载荷施加到所用模型的肩部,施加最大载荷的时间的最小值为 0.2s。拉伸动作期间,安全带固定点不可发生直接脱落的情况,并且不可超过第一象限,但允许出现永久性变形。中国科技期刊数据库 工业 A-80-2 基于多工况的汽车座椅骨架轻量化设计技术 设计者可通过以下设计技术来使汽车座椅骨架在多种工况下都能够满足轻量化与安全化的设计要求:其一,拓扑优化。座椅骨架设计中,设计者可将骨架材料密度视作设计变量,制定材料使用量最小的设计目标,设置符合相关法规要求的刚强度为约束条件,再对取得的结果实施适当的优化与挑战,以满足实际的产品设计需求,使汽车骨架设计方案取得最大的轻量化设计空间与设计自由度。其二,优化尺
7、寸。该设计技术处于参数化技术范畴中,设计者可优化骨架各个结构件的直径与厚度等几何尺寸参数、强度数值与模量数值等材料参数,以此来缩减零件厚度与几何尺寸,以此形成轻量化的设计效果。其三,形态优化。该设计技术主要围绕零件形态展开优化设计,在不增加钣金件与薄壁结构的设计前提下,对骨架型材具有的几何形状以及压延筋的数量、形状进行优化选择,从而满足刚度设计要求。其四,优化工艺。借助工艺技术来减少骨架材料使用量,升级零件连接与成形工艺技术,缩减构件使用量。3 基于多工况的汽车座椅骨架轻量化设计对策 3.1 灵敏度分析 汽车内部的座椅骨架拥有复杂度极高的结构,其中涵盖了十余种构件,在厚度方面有差异,需要考虑到
8、多个厚度参数。如果把所有构件对应的厚度数值都视作设计变量,再实施轻量化设计,一方面会给最终的设计优化结果带来不利影响,另一方面会造成优化设计迭代环节不进行收敛的结果,难以获得最优设计方案。所以,在实施轻量化设计优化前期,需要筛选设计变量,借助灵敏度分析环节来选出有效的设计变量,从而保持更高的设计优化工作效率。分析灵敏度时主要需要研究特性响应对于各个设计变量所形成的具体灵敏程度。特性响应涵盖着较为丰富的对象,包括位移、应力、频率、体积以及重量等。设计变量也有着较多的种类,包括截面特性参数以及尺寸参数等。分析灵敏度也可被看作是计算特性响应对于座椅骨架设计变量的具体偏导数。ij表示第j 个特性响应对
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