汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法，包括：根據(jù)座椅骨架的設(shè)計(jì)要求建立設(shè)計(jì)模型，確定設(shè)計(jì)區(qū)域；根據(jù)所述設(shè)計(jì)區(qū)域和載荷工況建立所述汽車座椅骨架的有限元模型；采用變密度法對所述有限元模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，得到設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的材料密度分布圖；基于所述材料密度分布圖布置所述汽車座椅骨架的管材結(jié)構(gòu)件。采用對設(shè)計(jì)區(qū)域建立有限元模型得到合理的材料密度分布圖，再根據(jù)材料密度法分布設(shè)置管材結(jié)構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)汽車座椅骨架在滿足安全性的前提下，降低管材結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，提高管材結(jié)構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)了汽車座椅骨架的輕量化設(shè)計(jì)，可以獲得良好的經(jīng)濟(jì)性。
【專利說明】
汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及產(chǎn)品的制作方法，尤指一種汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法。

【背景技術(shù)】
[0002]汽車座椅骨架是汽車座椅的核心部件，為了保證乘員的安全，必須滿足動(dòng)靜態(tài)強(qiáng)度和剛度的要求。同時(shí)，汽車座椅骨架是座椅質(zhì)量的主要部分，合理的座椅骨架結(jié)構(gòu)須在滿足安全性的前提下盡量實(shí)現(xiàn)輕量化，以便獲得良好的經(jīng)濟(jì)性。
[0003]要實(shí)現(xiàn)座椅骨架的輕量化設(shè)計(jì)，首先需合理地布置結(jié)構(gòu)的材料。座椅骨架一般由板材結(jié)構(gòu)件、管材結(jié)構(gòu)件和連接件組成，在骨架靠背中，管材結(jié)構(gòu)件是保證結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的主要承載件，因此需合理地布置管材結(jié)構(gòu)件的位置。目前，對于結(jié)構(gòu)件的布置一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷結(jié)構(gòu)的受力位置布置材料，設(shè)計(jì)結(jié)果很大程度上依賴于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，這樣的設(shè)計(jì)結(jié)果存在很大的改進(jìn)空間。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法，解決現(xiàn)有汽車座椅骨架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)依賴于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷的問題。
[0005]實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是:
[0006]本發(fā)明一種汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法，包括:
[0007]根據(jù)座椅骨架的設(shè)計(jì)要求建立設(shè)計(jì)模型，確定設(shè)計(jì)區(qū)域；
[0008]根據(jù)所述設(shè)計(jì)區(qū)域和載荷工況建立所述汽車座椅骨架的有限元模型；
[0009]采用變密度法對所述有限元模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，得到設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的材料密度分布圖；
[0010]基于所述材料密度分布圖布置所述汽車座椅骨架的管材結(jié)構(gòu)件。
[0011]采用對設(shè)計(jì)區(qū)域建立有限元模型得到合理的材料密度分布圖，再根據(jù)材料密度分布圖布置管材結(jié)構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)汽車座椅骨架在滿足安全性的前提下，降低骨架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，提高骨架結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)了汽車座椅骨架的輕量化設(shè)計(jì)，可以獲得良好的經(jīng)濟(jì)性。通過結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，避免了經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷帶來的誤差，對汽車座椅骨架提出了合理且較佳地設(shè)計(jì)方法。
[0012]本發(fā)明汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法的進(jìn)一步改進(jìn)在于，以所述汽車座椅骨架的結(jié)構(gòu)應(yīng)變能最小作為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，以所述汽車座椅骨架的材料偽密度為設(shè)計(jì)變量，以所述汽車座椅骨架的體積作為約束條件，建立所述拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為:
[0013]Min.U
[0014]S.Τ.:ν/ν0 < μ
[0015]式中，U為應(yīng)變能，V為構(gòu)件優(yōu)化后的體積為構(gòu)件優(yōu)化前的體積，μ為體積減小因子，μ < 1.0 ；
[0016]本發(fā)明汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法的進(jìn)一步改進(jìn)在于，基于所述材料密度分布圖布置所述汽車座椅骨架的管材結(jié)構(gòu)件包括:
[0017]根據(jù)所述材料密度分布圖建立所述汽車座椅骨架的有限元模型；
[0018]采用有限元分析方法，對設(shè)計(jì)后的新的有限元模型進(jìn)行力學(xué)性能分析，并判斷是否符合設(shè)計(jì)要求；
[0019]若符合設(shè)計(jì)要求，則得到具有最優(yōu)管材結(jié)構(gòu)布置的汽車座椅結(jié)構(gòu)；否則調(diào)整μ值，重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法的流程圖；
[0021]圖2為汽車后排座椅模型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3為汽車后排座椅模型中選定設(shè)計(jì)區(qū)域的原模型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4為選定汽車后排座椅模型中的設(shè)計(jì)區(qū)域；
[0024]圖5為圖4的材料密度分布圖；
[0025]圖6為根據(jù)圖5設(shè)置管材結(jié)構(gòu)件的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0027]參閱圖1，顯示了本發(fā)明汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法的流程圖。本發(fā)明提供了一種汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法，在汽車座椅骨架的原模型中選定設(shè)計(jì)區(qū)域，通過對選定的設(shè)計(jì)區(qū)域建立合理的有限元模型，采用變密度法對有限元模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到結(jié)構(gòu)材料體積相比原結(jié)構(gòu)小且結(jié)構(gòu)剛度最大時(shí)的材料密度分布圖，再根據(jù)材料密度分布圖布置管材結(jié)構(gòu)件。根據(jù)座椅骨架的材料性能再建立新的有限元模型，在給定的荷載工況條件下進(jìn)行力學(xué)性能分析，若滿足力學(xué)性能設(shè)計(jì)要求，則按照該結(jié)構(gòu)有限元模型布置管材結(jié)構(gòu)件，就得到了汽車座椅骨架，若不滿足力學(xué)性能設(shè)計(jì)要求，則重新改變設(shè)計(jì)參數(shù)重新進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，直至滿足力學(xué)性能設(shè)計(jì)要求為止。通過本發(fā)明汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法，解決了現(xiàn)有的汽車座椅骨架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)依賴于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷的問題，避免了經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷的誤差，為汽車座椅骨架輕量化設(shè)計(jì)提供方法，可以獲得良好的經(jīng)濟(jì)性。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法進(jìn)行說明。
[0028]參閱圖1，顯示了本發(fā)明汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法的流程圖。下面結(jié)合圖1，對本發(fā)明汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法進(jìn)行說明。
[0029]如圖1所不,本發(fā)明汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法包括:
[0030]執(zhí)行步驟S11，設(shè)定汽車座椅骨架的設(shè)計(jì)區(qū)域。首先，建立汽車座椅骨架的設(shè)計(jì)模型，在設(shè)計(jì)模型上選定汽車座椅骨架的設(shè)計(jì)區(qū)域，根據(jù)汽車座椅骨架的外形尺寸，汽車座椅骨架的受力結(jié)構(gòu)，對設(shè)計(jì)區(qū)域進(jìn)行選定。接著執(zhí)行步驟S12。
[0031]執(zhí)行步驟S12，根據(jù)設(shè)計(jì)區(qū)域及結(jié)構(gòu)形式和載荷工況建立有限元模型。以汽車座椅骨架的結(jié)構(gòu)形式、荷載工況和約束條件，建立合理的有限元模型。具體以汽車座椅骨架的結(jié)構(gòu)應(yīng)變能最小作為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，以汽車座椅骨架的材料偽密度為設(shè)計(jì)變量，以汽車座椅骨架的體積作為約束條件，建立有限元模型的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，以式(I)為優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，
[0032]Min.U
[0033]S.Τ.:v/v0 < μ (I)
[0034]式中，U為應(yīng)變能，ν為構(gòu)件優(yōu)化后的體積；Vtl為構(gòu)件優(yōu)化前的體積，μ為體積減小因子，μ < 1.0。式(I)的含義是在材料體積減小到原結(jié)構(gòu)體積的μ倍時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)變能最小，即剛度最大。接著執(zhí)行步驟S13。
[0035]執(zhí)行步驟S13，基于變密度法對有限元模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。變密度法是以材料的偽密度為設(shè)計(jì)變量，通過求解式(I)的數(shù)學(xué)模型，可得到結(jié)構(gòu)應(yīng)變能最小的結(jié)構(gòu)材料密度分布圖。接著執(zhí)行步驟S14。
[0036]執(zhí)行步驟S14，根據(jù)材料密度分布圖建立管材結(jié)構(gòu)件的新的有限元模型。接著執(zhí)行步驟S15。
[0037]執(zhí)行步驟S15，對新的有限元模型進(jìn)行性能分析。在給定的載荷工況條件下進(jìn)行力學(xué)性能分析，對建立的新的結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行力學(xué)性能分析，得到力學(xué)性能參數(shù)。接著執(zhí)行步驟S16。
[0038]執(zhí)行步驟S16，判斷是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的座椅動(dòng)靜態(tài)性能的設(shè)計(jì)要求。對結(jié)構(gòu)有限元模型的力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行判斷，將新的有限元模型與原始模型的力學(xué)性能比較，若滿足要求，則執(zhí)行步驟S17，若不滿足要求，則執(zhí)行步驟S13，重新進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。
[0039]執(zhí)行步驟S17，根據(jù)新的有限元模型設(shè)置汽車座椅骨架的管材結(jié)構(gòu)件。依據(jù)滿足力學(xué)性能要求的結(jié)構(gòu)有限元模型，布置管材結(jié)構(gòu)件，這樣就得到了合理的座椅骨架結(jié)構(gòu)。
[0040]下面結(jié)合具體實(shí)例，對本發(fā)明汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法進(jìn)行說明。
[0041]以汽車后排座椅骨架結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說明，參閱圖2所示，顯示了汽車后排座椅模型的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，汽車后排座椅骨架結(jié)構(gòu)在安全帶靜態(tài)拉伸工況下的有限元模型，通過對該原始模型的分析，在安全帶靜態(tài)拉伸工況下，主要受力構(gòu)件為60%部分，SP60%構(gòu)件10，對60%構(gòu)件10進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)汽車后排座椅骨架結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，在原始模型上確定設(shè)計(jì)區(qū)域，結(jié)合圖3，顯示了該60%構(gòu)件10的原始模型，結(jié)合圖4所示，選定設(shè)計(jì)區(qū)域，設(shè)計(jì)區(qū)域與60%構(gòu)件10的幾何尺寸相同，建立有限元模型20，采用殼單元?jiǎng)澐钟邢拊W(wǎng)格，有限元模型20的第一下端A和第二下端B約束X、Y、Z方向移動(dòng)自由度及Y、Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，有限元模型20的第一上端C與汽車車身連接處約束Υ、Ζ方向移動(dòng)自由度及Χ、Υ、Ζ方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，并在安全帶加載位置D施加一定大小一定方向的載荷，如圖3中所示的箭頭方向的載荷。建立有限元模型20的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，以式(I)為優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，采用變密度法進(jìn)行優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，得到了材料密度分布圖，結(jié)合圖5所示，材料密度分布圖中包括有材料區(qū)域30和無材料區(qū)域40，然后根據(jù)材料密度分布圖和材料性能建立新的有限元模型，對新的有限元模型進(jìn)行力學(xué)性能分析，并與60%構(gòu)件10的原始模型的力學(xué)性能比較，結(jié)合圖3所示，若新的有限元模型的力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求，則依據(jù)新的有限元模型布置汽車座椅骨架的管材結(jié)構(gòu)件；若未滿足設(shè)計(jì)要求，則重新進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化直至符合設(shè)計(jì)要求為止。結(jié)合圖6所示，管材結(jié)構(gòu)件50的布置與有材料區(qū)域30相近似，這樣就得到了合理的汽車座椅骨架結(jié)構(gòu)，滿足汽車座椅骨架的安全性前提，有效降低管材結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，同時(shí)可以提高管材結(jié)構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度。
[0042]采用有限元分析方法，對由布置好的管材結(jié)構(gòu)件50構(gòu)成的汽車座椅骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能分析，并與原始模型結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能比較，具體如表I所示，采用本發(fā)明的汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法，在質(zhì)量減小6.29%的條件下，結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度均大幅提高。
[0043]
質(zhì)量應(yīng)變能最大位移單元最大應(yīng)力
(kg)(J) (mm) (MPa)
原模型 8.425 14.87901____2044
優(yōu)化模型 7.89774 8.437901__19Λ__957.6
變化率 6.26% 443.29%i 64.92°/。丨5 3.15% I
[0044]表I模型與本發(fā)明設(shè)計(jì)方法得到的優(yōu)化模型的力學(xué)性能參數(shù)對比本發(fā)明汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法的有益效果:
[0045]采用對設(shè)計(jì)區(qū)域建立有限元模型得到合理的材料密度分布圖，再根據(jù)材料密度分布圖布置管材結(jié)構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)汽車座椅骨架在滿足安全性的前提下，降低座椅骨架結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，提高座椅骨架結(jié)構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)了汽車座椅骨架的輕量化設(shè)計(jì)，可以獲得良好的經(jīng)濟(jì)性。解決了現(xiàn)有技術(shù)中依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，避免了經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷帶來的誤差，對汽車座椅骨架提出了合理且較佳地設(shè)計(jì)方法。
[0046]以上結(jié)合附圖實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域中普通技術(shù)人員可根據(jù)上述說明對本發(fā)明做出種種變化例。因而，實(shí)施例中的某些細(xì)節(jié)不應(yīng)構(gòu)成對本發(fā)明的限定，本發(fā)明將以所附權(quán)利要求書界定的范圍作為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法，其特征在于，包括: 根據(jù)座椅骨架的設(shè)計(jì)要求建立設(shè)計(jì)模型，確定設(shè)計(jì)區(qū)域； 根據(jù)所述設(shè)計(jì)區(qū)域和載荷工況建立所述汽車座椅骨架的有限元模型； 采用變密度法對所述有限元模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，得到設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的材料密度分布圖； 基于所述材料密度分布圖布置所述汽車座椅骨架的管材結(jié)構(gòu)件。
2.如權(quán)利要求1所述的汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法，其特征在于以所述汽車座椅骨架的結(jié)構(gòu)應(yīng)變能最小作為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，以所述汽車座椅骨架的材料偽密度為設(shè)計(jì)變量，以所述汽車座椅骨架的體積作為約束條件，建立所述拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為:
Min.U
S.Τ.:ν/ν0 < μ 式中，U為應(yīng)變能，V為構(gòu)件優(yōu)化后的體積；Vtl為構(gòu)件優(yōu)化前的體積，μ為體積減小因子，μ < 1.00
3.如權(quán)利要求1所述的汽車座椅骨架的構(gòu)件分布方法，其特征在于，基于所述材料密度分布圖布置所述汽車座椅骨架的管材結(jié)構(gòu)件包括: 根據(jù)所述材料密度分布圖建立所述汽車座椅骨架的有限元模型； 采用有限元分析方法，對設(shè)計(jì)后的新的有限元模型進(jìn)行力學(xué)性能分析，并判斷是否符合設(shè)計(jì)要求； 若符合設(shè)計(jì)要求，則得到具有最優(yōu)管材結(jié)構(gòu)布置的汽車座椅結(jié)構(gòu)；否則調(diào)整μ值，重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104166775SQ201410425992
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】丁曉紅, 張坤, 倪維宇, 王海華 申請人:上海理工大學(xué), 上海延鋒江森座椅有限公司