摘要

本課題利用Altair-OptiStruct拓撲優化分析軟件對兒童座椅內部金屬結構件進行輕量化設計研究，優化后結構布局更合理且質量減輕30%，旨在探索了一種結構優化合理設計和省材減重的方法。

一、研究背景

兒童座椅在進行碰撞測試的法規試驗中，主要通過座椅內部的金屬結構件來承擔的沖擊力，從而保證整椅結構的完好性，達到保護乘員兒童的效果。在座椅的研發階段，結構工程師為了順利通過碰撞測試，往往對金屬件進行過剩設計，一方面，可能造成材料浪費、座椅過重；另一方面，可能由于結構過強、吸能效果差，導致兒童假人在沖擊過程中各項傷害值超標。為了解決這一問題，嘗試對某款產品的金屬結構件進行輕量化分析，希望能為結構工程師提供設計方向。

二、分析思路

通過分析該金屬結構件在座椅中的裝配關系以及法規要求下不同動態工況的受力狀態，碰撞主要考察座椅在不同安裝方向下的正碰、后碰和側碰工況。合理地設置約束與加載進行拓撲優化分析，再將優化后結構代入動態工況中進行校核驗證，強度滿足且假人傷害值達標即可。

三、方法步驟

本案例選取座椅底座上的金屬壓板件作為研究對象。首先厘清結構件與座椅其他件的連接、接觸關系以及碰撞過程中的受力狀態，再合理設置優化分析的邊界條件，具體步驟：1.兩側與isofix外殼焊接，將其下邊緣自由度完全約束；2.孔與底座螺柱連接，對washer單元僅釋放Z方向自由度，并對每個孔向下施加載荷500N模擬孔的拉力；3.翻邊面與其他金屬結構表面接觸，在此表面均勻施加200N的載荷。（如下圖所示）

 

以質量最小為優化目標，設置應力約束不超過1000MPa,通過優化分析迭代得出結果如下圖所示：

對優化后的結構進行校核驗證前，首先需要對網格重新劃分，然后結合加工工藝問題，對局部結構進行完善，最后得出新的結構如下圖所示：

將優化后的新結構代入到座椅中進行動態工況仿真分析，驗證其強度以及是否對假人數據有影響，結果如下：

• 優化前該結構應力云圖（最大應力650MPa，最大塑形應變0.8%）

• 對比優化前后不同工況的假人數據無明顯差異。

四、結論與展望

1. 優化區域的分布云圖比較直觀的呈現出結構的受力規律，可直接作為結構設計思路提供方向；
2. 優化后的結構滿足強度要求，且假人的各項數據無明顯變化，質量減少30%，理論上達到了省材減重的目的，當然仿真的可靠性離不開試驗數據的支持，對于理論的結果需采取與試驗對標的方式進行；
3. 優化軟件計算得出的結果存在制造工藝的問題，需結合實際合理對結構進行重新設計；
4. 本次優化響應選取的較為簡單，且靜態線性分析與真實的碰撞工況存在偏差；因此，想要得出更精確地結果，對于邊界條件的設置以及優化響應的選取需要進行更深入的研究，比如等效靜態載荷法，歡迎各位前來探討。