基于多工況的汽車座椅骨架輕量化設計

倪維宇，張 橫，姚勝衛

（1.上海理工大學公共實驗中心，上海 200093；2.上海理工大學機械工程學院，上海 200093）

座椅作為汽車碰撞過程中保護車內駕乘人員的重要部件，其結構的整體剛度決定了安全性［1］。座椅關鍵構件的尺寸參數是影響安全性的直接因素，對尺寸參數進行優化可實現座椅的輕量化設計［2-5］。郭鵬程等［6］根據汽車座椅結構的受力傳遞路徑，采用尺寸優化設計方法實現了座椅的輕量化，其質量減小了1.9 kg。姚為民等［7］通過靈敏度分析確定了汽車座椅結構優化的設計變量，并借助尺寸優化方法實現了座椅減重9.6%。張坤等［8］在對汽車座椅骨架進行輕量化設計時，為了不改變其主要構件的整體形狀和位置分布，對各主要構件的壁厚進行優化分配，使其在滿足使用性能和相關法規要求的同時盡可能減小質量。

但是，目前關于汽車座椅骨架優化設計的研究通常只針對單一工況，而汽車的實際行駛過程往往涉及多個工況。基于此，筆者以汽車后排座椅為研究對象，在滿足安全法規要求的前提下，綜合考慮安全帶靜態拉伸工況和行李箱動態碰撞工況，基于靈敏度分析選取座椅骨架關鍵構件的厚度為設計變量，并以整個座椅骨架質量最小為目標，開展座椅骨架尺寸優化設計。同時，按照安全法規的要求，開展靜、動態工況下的有限元仿真分析和試驗研究，以驗證座椅骨架優化結果的正確性以及所提出輕量化設計方法的有效性。

1 汽車座椅工況分析

汽車座椅作為一個關鍵的被動保護裝置，在靜、動態工況下均須滿足相關安全法規的要求。

在靜態工況下，汽車座椅須滿足《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點及上拉帶固定點》（GB 14167—2013）［9］的要求。對于兩點式安全帶座椅，如圖1所示，在進行安全帶靜態拉伸試驗時，沿水平面向上10°方向對人體模型膝蓋處施加（22.25±0.20）kN的載荷，同時在人體模型肩部施加1個大小為座椅總成重量20倍的載荷，且最大載荷的施加至少維持0.2 s。在拉伸過程中，安全帶固定點不允許脫落，但可以產生永久變形，同時安全帶固定點不應超出第一象限。

圖1 汽車座椅安全帶靜態拉伸示意Fig.1 Schematic diagram of safety belt static tension of automobile seat

在動態工況下，汽車座椅須滿足《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》（GB15083—2019）［10］的要求。采用滑車試驗臺進行汽車座椅行李箱碰撞試驗。如圖2所示，在車廂內部距離座椅靠背后方200 mm的行李艙地板上水平放置2個尺寸為300 mm×300 mm×300 mm、質量為18 kg的行李箱試樣塊，在試驗過程中對臺車施加1個不小于20g的水平減速度，持續30 ms。在碰撞過程中以及碰撞后，座椅和鎖止裝置始終保持在原位置，碰撞后座椅骨架允許存在塑性變形及部分撕裂現象但不能斷開。圖2中：A1為座椅靠背輪廓上關鍵測點與A面的距離，B1為頭枕輪廓上關鍵測點與B面的距離。若A1、B1均大于零，則說明座椅滿足上述安全法規的要求。

圖2 汽車座椅行李箱動態碰撞示意Fig.2 Schematic diagram of luggage compartment dynamic collision of automobile seat

2 汽車座椅骨架輕量化設計

為實現多工況下汽車座椅骨架的輕量化設計，以某型號汽車后排座椅為例，綜合考慮安全帶靜態拉伸工況和行李箱動態碰撞工況，對其骨架的尺寸參數進行優化設計。

2.1 座椅骨架靈敏度分析

如圖3所示，汽車座椅骨架是一個復雜的結構［11］，包含了幾十個厚度不同的構件，涉及的厚度參數較多。若將每個構件的厚度都作為設計變量來進行優化，不僅會對優化結果產生影響，而且會使優化迭代過程不收斂［12］，從而導致得不到最優解。因此，在優化前須對各設計變量進行篩選，即通過靈敏度分析［13］確定合適的設計變量，從而有效地提高優化效率。

圖3 汽車座椅骨架有限元模型Fig.3 Finite element model of automobile seat frame

靈敏度分析是指確定特性響應對設計變量的靈敏程度。其中：特性響應包括多個對象［14］，如質量、體積、頻率、應力和位移等；同時，設計變量也包含多個種類，如尺寸參數、截面特性參數等。從本質上看，靈敏度分析就是求特性響應對設計變量的偏導數，即：

式中：λij為第j個特性響應對第i個設計變量的靈敏度；rj為第j個特性響應；xi為第i個設計變量。

汽車座椅骨架主要由鈑金件和管件構成。在靜、動態工況下，座椅骨架承受的載荷主要是安全帶拉伸力和行李箱的碰撞沖擊力，其中座椅靠背的厚度變化對能量吸收有較大的影響［15］。因此，在汽車座椅骨架輕量化設計時，選取座椅骨架的背板、管件以及連接件的厚度作為設計變量，其初始值和上下限如表1所示。綜合考慮靜、動態兩種工況［16］，以座椅骨架的質量為響應進行靈敏度分析，以確定合適的座椅骨架尺寸優化設計變量。

表1 汽車座椅骨架各構件厚度的初始值和上下限Table 1 Initial value and upper and lower limits of each component thickness of automobile seat frame 單位：mm

拉丁超立方抽樣方法［17］是一種近似隨機地生成均勻樣本點的試驗設計和抽樣方法，可用于n維問題的抽樣和設計。拉丁超立方抽樣方法具有樣本記憶功能，可避免重復抽樣，抽樣效率較高且可在樣本較少的情況下獲得較高的計算精度［18］。基于拉丁超立方抽樣方法，獲得座椅骨架各構件質量的占比，結果如圖4所示。圖4中：序號1—8分別對應60%中間圓管、背板、40%框架圓管、60%框架方管、60%框架圓管、閉鎖連接件、管連接件和底板連接件。

圖4 汽車座椅骨架各構件質量的占比Fig.4 Mass proportion of each component of automobile seat frame

由圖4可知，對汽車座椅骨架質量影響較大的構件為背板、60%框架圓管、40%框架圓管、60%框架方管和管連接件，其質量占整個座椅骨架的97%。由此可知，座椅骨架質量對這5個構件厚度的靈敏度最高。因此在對座椅骨架進行尺寸優化時，選取這5個關鍵構件的厚度作為設計變量。這5個關鍵構件在座椅骨架上的分布位置如圖5所示。

圖5 汽車座椅骨架關鍵構件的分布位置Fig.5 Distribution position of key components of automobile seat frame

為了提高優化效率，根據靈敏度分析得到的5個設計變量，簡化汽車座椅骨架的結構，并采用克里金函數構建座椅骨架近似模型［19］，其預測誤差如圖6所示。結果表明，基于近似模型的座椅骨架性能預測值與真實值吻合良好，說明該近似模型的精度較高［20］，可代替原模型，用于后續的尺寸優化分析。

圖6 汽車座椅骨架近似模型的相對誤差Fig.6 Relative error of approximate model of automobile seat frame

2.2 座椅骨架尺寸優化

汽車后排座椅結構安全性的設計理念為：在碰撞過程中，座椅吸能件應盡可能吸收沖擊能量，且吸能件僅發生可控、規則和穩定的塑性變形，同時座椅在撞擊過程中產生的平均和最大撞擊載荷應盡可能小，以減少對乘員的傷害。為保證座椅骨架的剛度以及安全性，以背板、60%框架圓管、40%框架圓管、60%框架方管和管連接件的厚度為設計變量（X=［d1d2d3d4d5］），以座椅骨架質量最小為優化目標，以靜態工況下的位移以及動態工況下的最大沖擊載荷為約束條件，對座椅骨架進行尺寸優化［20］。構建的多工況下座椅骨架尺寸優化數學模型可表示為：

式中：M為座椅骨架的質量；δs（X）、δs*分別為靜態工況下關鍵測點與參考面之間的相對距離和法規規定的安全距離；δd（X）、δd*分別為動態工況下關鍵測點與參考面之間的相對距離和法規規定的安全距離；F為動態工況下的最大沖擊載荷；F*為最大沖擊載荷的約束值；diU、diL分別為各構件厚度的上、下限。

根據安全法規規定的靜、動態工況，基于汽車座椅骨架的近似模型，運用模擬退火算法［21］對其進行尺寸優化。根據工程中座椅骨架構件的實際尺寸以及座椅加工工藝要求，對構件的厚度進行圓整，最終的優化結果如表2所示。將優化圓整得到的構件厚度代入座椅骨架原模型，重新進行分析計算，可得優化后的座椅骨架質量為16.11 kg，相比于優化前的17.49 kg減小了7.89%。

表2 優化前后汽車座椅骨架關鍵構件的厚度Table 2 Thickness of key components of automobile seat frame before and after optimization 單位：mm

2.3 座椅骨架尺寸優化結果驗證

為驗證上述理論優化結果的正確性，開展多工況下汽車座椅的有限元仿真分析和試驗研究。

2.3.1 仿真驗證

將優化后的構件厚度代入座椅骨架有限元模型，按安全法規要求設置安全帶靜態拉伸工況和行李箱動態碰撞工況的約束條件并進行仿真分析。

在靜態工況下，優化后座椅骨架的變形云圖如圖7所示。由圖7可知，該座椅的安全帶固定點未超過第一象限。優化前后座椅安全帶固定點的位移如圖8所示。由圖8可知，座椅X方向的變形量由277.32 mm增大到290.57 mm（X方向的最大允許變形量為355.60 mm）；Z方向的變形量由1.0 mm增大到2.7 mm（Z方向的最大允許變形量為68.7 mm），均在法規允許范圍內。

圖7 靜態工況下汽車座椅骨架的變形云圖（優化后）Fig.7 Deformation nephogram of automobile seat frame under static condition(after optimization)

圖8 靜態工況下汽車座椅安全帶固定點的位移Fig.8 Displacement of safety belt fixed point of automobile seat under static condition

在動態工況下，優化后座椅骨架的變形云圖如圖9所示。從圖9中可以看出，由于優化后座椅骨架關鍵構件的厚度減小，使得其剛度降低，從而導致其變形相對增大。優化前后座椅骨架上關鍵測點與A、B面的最小距離如表3所示。結果表明，各測點均未超越法規規定的A面和B面，即均在法規允許范圍內。

圖9 動態工況下汽車座椅骨架的變形云圖（優化后）Fig.9 Deformation nephogram of automobile seat frame under dynamic condition(after optimization)

表3 動態工況下汽車座椅骨架上各關鍵測點與A、B面的最小距離Table 3 Minimum distance between key measuring points on automobile seat frame and surfaces A,B under dynamic condition

綜上所述，仿真結果表明優化后的座椅滿足相應安全法規的要求，從理論角度驗證了座椅骨架尺寸優化結果的正確性。

2.3.2 試驗驗證

為進一步驗證座椅骨架尺寸優化結果的正確性，根據優化得到的座椅骨架關鍵構件的厚度，制作了座椅試件，并分別在靜、動態工況下對其進行試驗研究。首先，根據安全法規的要求，在靜態工況下，對座椅安全帶進行拉伸試驗，所用裝置如圖10所示（用質量塊代替人體模型）。在開始試驗前，沿水平面向上10°方向對安全帶施加1.0～1.5 kN的預載荷；在試驗過程中，先在人體模型膝蓋對應位置處施加13.5 kN（100%）的載荷，在肩部對應位置處施加大小為座椅總成重量20倍的載荷，然后在2 s內快速施加120%的標準載荷（約16.2 kN），保持10 s后再釋放。

圖10 汽車座椅安全帶靜態拉伸試驗裝置Fig.10 Safety belt static tension test device for automobile seat

在靜態工況下，座椅整體的變形情況如圖11所示，座椅骨架變形較大位置以及安全帶鎖扣變形情況如圖12所示。結果表明，在靜態工況下，座椅骨架沒有發生撕裂，安全帶鎖扣區域沒有失效，說明優化后的座椅在靜態工況下滿足GB 14167—2013的要求。

圖11 靜態工況下汽車座椅的整體變形情況Fig.11 Overall deformation of automobile seat under static condition

圖12 靜態工況下汽車座椅骨架變形較大位置及安全帶鎖扣變形情況Fig.12 Large deformation position of automobile seat frame and deformation of safety belt buckle under static condition

在動態工況下，對座椅進行行李箱碰撞試驗。如圖13所示，采用地腳螺栓和壓板將座椅固定在臺車上，并在距離座椅靠背后方200 mm處放置2個質量為18 kg的行李箱試樣塊（2個行李箱試樣塊的橫向距離為50 mm）。在試驗過程中，對臺車施加20g的水平減速度，行李箱試樣塊在慣性作用下對座椅進行碰撞沖擊。

圖13 汽車座椅行李箱動態碰撞試驗裝置Fig.13 Luggage compartment dynamic collision test device for automobile seat

動態工況下座椅及其骨架的變形情況如圖14所示。結果表明，座椅骨架未出現撕裂或分離現象，行李箱未沖破座椅骨架，仍位于座椅后；座椅頭枕位移未超過規定值。由此說明，優化后的座椅滿足GB 15083—2019的要求。

圖14 動態工況下汽車座椅及其骨架的變形情況Fig.14 Deformation of automobile seat and its frame under dynamic condition

綜上所述，試驗結果表明優化后的座椅滿足相應安全法規的要求，從實際角度驗證了座椅骨架尺寸優化結果的正確性。

3 結 論

基于汽車座椅的靜、動態工況，提出了座椅骨架輕量化設計方法，即綜合考慮安全帶靜態拉伸工況和行李箱動態碰撞工況下的要求，對座椅骨架進行尺寸優化。首先，通過靈敏度分析確定了合適的設計變量。然后，建立多工況下座椅骨架尺寸優化數學模型，獲得了理想的優化設計結果——在不改變座椅骨架結構的同時實現了減重7.89%。最后，根據安全法規的要求，分別在靜、動態工況下對優化后的座椅進行有限元仿真分析和試驗研究。結果表明，優化后的座椅滿足相應安全法規的要求，驗證了座椅骨架尺寸優化結果的正確性和所提出輕量化設計方法的有效性。