*本文投稿自汽車行業(yè)用戶方永利

本文采用 Altair OptiStruct 求解器在概念設(shè)計階段，通過引入拓撲優(yōu)化技術(shù)，結(jié)合等效靜態(tài)載荷法，將沖擊工況的非線性動態(tài)載荷轉(zhuǎn)化為等效靜態(tài)載荷，與線性靜態(tài)工況結(jié)合進行多學(xué)科多工況的拓撲優(yōu)化。此方法能夠在設(shè)計自由度較高的概念階段確定最優(yōu)的材料分布和形狀，為后續(xù)減重降本設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

具體而言，概念階段的拓撲優(yōu)化方案可使整車減重約2Kg，單車降本約80元。該方法不僅彌補了傳統(tǒng)逆向設(shè)計的不足，實現(xiàn)了從知其然到知其所以然的轉(zhuǎn)變，而且通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計而非簡單的材料替換，達到了既減重又降本的效果。

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前言

隨著能源危機和環(huán)境污染問題的加劇，汽車行業(yè)對節(jié)能減排的要求越來越高。汽車輕量化成為實現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑。對于燃油車而言，汽車質(zhì)量每減少100kg，每百公里可節(jié)省燃油0.3～0.5L，碳排放減少8～11g，同時提升操控體驗和降低用車成本。新能源汽車由于沒有尾氣排放，具有更顯著的節(jié)能減排優(yōu)勢，但在續(xù)航方面面臨較大壓力。汽車重量每減少100kg，續(xù)航里程可增加2.4%，因此輕量化成為解決續(xù)航焦慮的關(guān)鍵。

在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計中，汽車座椅除了提供基本的乘坐功能外，還通過零重力座椅、福祉座椅等設(shè)計提升了舒適性和安全性，但這些功能的增加也帶來了重量的提升。傳統(tǒng)汽車座椅多采用鋼制結(jié)構(gòu)，重量較大，不符合輕量化需求。鎂合金作為一種輕質(zhì)合金，其密度約為1.8g/cm3，遠低于鋼的7.85g/cm3。雖然鎂合金的力學(xué)性能低于鋼，但在比強度和比模量方面具有明顯優(yōu)勢，且具有良好的鑄造性和較低的比熱容，適合用作輕量化座椅骨架材料。

傳統(tǒng)座椅設(shè)計方法依賴經(jīng)驗試錯，耗時長且成本高，難以全面考慮各種工況。為此，提出了一種基于多學(xué)科多工況拓撲優(yōu)化的方法，該方法在概念設(shè)計階段綜合考慮模態(tài)、剛度和沖擊工況等關(guān)鍵因素，通過仿真驅(qū)動設(shè)計優(yōu)化，平衡性能、成本和重量。

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座椅性能分析

在座椅結(jié)構(gòu)正向設(shè)計過程中，首先需要明確座椅的使用工況和性能要求。如國家標(biāo)準要求的汽車安全帶固定點及 ISOFIX 固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點強度，C-IASA 或 C-NCAP 要求的沖擊強度，以及座椅骨架的靜態(tài)剛強度等。這些工況包括靜態(tài)負載、動態(tài)沖擊、振動等方面。

其中靜態(tài)負載工況主要考察座椅需要承受乘客的靜態(tài)重量，并保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。通過仿真分析，可以評估座椅在靜態(tài)負載下的應(yīng)力分布和變形情況，確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。如圖1所示，坐墊向下強度分析工況。要求坐墊骨架和骨架支架在受載后無破裂，高度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和滑道鎖止結(jié)構(gòu)無破裂，滑軌鎖止機構(gòu)不失效，并可以打開。其他工況還包括靠背靜強度、頭枕靜強度、扭轉(zhuǎn)剛強度、橫向剛強度、側(cè)向剛強度、安全帶固定點強度等。

圖1坐墊向下強度工況

動態(tài)沖擊工況主要考察車輛在行駛過程中，座椅可能會受到來自不同方向的動態(tài)沖擊，如急剎車、碰撞等。通過仿真分析，可以模擬這些沖擊工況，評估座椅的吸能能力和乘客的保護效果。如圖2所示，正面碰撞分析工況。模擬車輛在正面發(fā)生碰撞時，座椅對乘客的保護效果。分析重點包括座椅的吸能性能、安全帶的約束效果等。其他工況還包括后碰、頭枕沖擊、20G沖擊、鞭打等。

圖2正碰工況

振動分析主要考察車輛行駛過程中的振動會對座椅的舒適性和乘客的乘坐體驗產(chǎn)生影響。通過仿真分析，可以評估座椅在不同振動頻率和振幅下的響應(yīng)特性，并進行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計。如圖3所示，模態(tài)分析，模擬座椅骨架的振動特性。

圖3模態(tài)工況

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概念階段拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化是一種先進的設(shè)計方法，用于在給定的設(shè)計空間內(nèi)找到最優(yōu)的材料分布，以滿足特定的性能目標(biāo)。這種方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計中廣泛應(yīng)用，特別是在汽車、航空航天、機械和建筑等領(lǐng)域。拓撲優(yōu)化可以幫助設(shè)計者在減輕重量、提高強度、減少材料成本等方面取得顯著效果。拓撲優(yōu)化是在給定的設(shè)計區(qū)域內(nèi)，通過數(shù)學(xué)方法確定材料的最佳分布，以達到特定的性能目標(biāo)。這些目標(biāo)通常包括最小化重量、最大化剛度、最小化應(yīng)力或最大化頻率響應(yīng)等。常見的拓撲優(yōu)化方法包括：密度法，將設(shè)計區(qū)域劃分為多個單元，每個單元的密度可以變化。通過迭代優(yōu)化單元密度，找到最優(yōu)的材料分布。變厚度法，在結(jié)構(gòu)的每一部分上施加不同的厚度，通過優(yōu)化厚度分布來達到性能目標(biāo)。水平集法，使用水平集函數(shù)來描述材料和空洞的界面，通過演化水平集函數(shù)來優(yōu)化材料分布。進化結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過逐步移除不必要或低效的材料，逐步優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

拓撲優(yōu)化的傳統(tǒng)方法是基于靈敏度分析，這對于線性靜態(tài)問題來說是很容易獲得的。當(dāng)必須考慮碰撞載荷情況時，必須考慮高度非線性動態(tài)碰撞問題的特殊性。在碰撞過程中結(jié)構(gòu)會發(fā)生大變形。分析所使用的材料定律也是非線性的，動能被塑性變形所吸收。為了正確預(yù)測材料性能，必須考慮應(yīng)變率相關(guān)性和復(fù)雜的失效準則。大部分力是通過接觸傳遞的。這些由于材料非線性、幾何和網(wǎng)格以及載荷和邊界條件的瞬態(tài)特性之間的復(fù)雜相互作用，推導(dǎo)動態(tài)分析的解析靈敏度是非常困難的。因此，傳統(tǒng)的基于靈敏度的拓撲優(yōu)化方法不適用于涉及結(jié)構(gòu)碰撞問題。

針對以上問題，本文采用等效靜態(tài)載荷法將非線性動態(tài)分析域和線性靜態(tài)優(yōu)化域相結(jié)合。通過將非線性動態(tài)模擬的離散時間提取等效靜態(tài)載荷。使其在線性靜態(tài)優(yōu)化的分析狀態(tài)中結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的響應(yīng)與動態(tài)特性中特定時間的非線性動態(tài)響應(yīng)具有相同的載荷場。使用等效靜態(tài)載荷在多個載荷條件下執(zhí)行線性靜態(tài)優(yōu)化。由于非線性，其他結(jié)構(gòu)響應(yīng)（如應(yīng)變和應(yīng)力）在分析和優(yōu)化域中并不相同。因此，優(yōu)化過程只考慮整體結(jié)構(gòu)的剛度特性，遵循剛度設(shè)計強度校核的設(shè)計原則。整個優(yōu)化過程中關(guān)鍵的處理過程包括：1、工況的選擇；2、動態(tài)載荷提??；3、拓撲優(yōu)化設(shè)置。

3.1 工況選擇

如第1章所述，座椅的性能分析工況包括靜態(tài)剛強度、模態(tài)、動態(tài)沖擊等數(shù)十種工況。在拓撲優(yōu)化分析過程中，需要考慮優(yōu)化效率和優(yōu)化效果。包括優(yōu)化迭代計算時間，收斂情況及優(yōu)化結(jié)果合理性等。因此需要在數(shù)十種工況中選取關(guān)鍵工況做為拓撲優(yōu)化分析時考察的工況。選取工況的主要原則是根據(jù)當(dāng)前的性能狀態(tài)，性能余量，工況的受力特點及歷史分析數(shù)據(jù)結(jié)果等因素進行綜合選取拓撲優(yōu)化的分析工況。本文以某項目二排，三排座椅為例。該項目二排座椅坐墊骨架和靠背骨架，三排座椅腳架，靠背骨架和背板均為鎂合金材料。二排、三排座椅骨架概念數(shù)據(jù)如圖4和圖5所示。

圖4二排座椅骨架概念方案數(shù)據(jù)

圖5三排座椅骨架概念方案數(shù)據(jù)

其中，二排座椅根據(jù)拓撲優(yōu)化工況選取原則，選取95假人正碰工況，安全帶固定點強度工況，側(cè)向剛度工況和模態(tài)工況。三排座椅選取95假人后碰工況，ISOFIX 工況，行李箱沖擊工況，側(cè)向剛度工況和模態(tài)工況。初始設(shè)計方案性能見表1。

表1 二排/三排座椅初始方案性能結(jié)果

3.2 動態(tài)載荷提取

對于選取的關(guān)鍵工況中的動態(tài)沖擊工況，需要將動態(tài)載荷大小及位置提取出來，加載到線性靜態(tài)優(yōu)化模型中。當(dāng)座椅在概念設(shè)計階段，還沒有數(shù)據(jù)支撐進行整椅的仿真分析。因此我們可以通過參考相近座椅結(jié)構(gòu)的歷史仿真結(jié)果來做載荷的提取。以二排座椅為例，需要將95假人正碰工況和安全帶固定點強度工況的載荷大小，作用方向和位置等邊界條件提取到線性靜態(tài)優(yōu)化模型中，等效為線性工況進行拓撲優(yōu)化分析。通過對座椅骨架在正碰工況和安全帶安裝點強度仿真工況的仿真結(jié)果分析，提取座椅坐墊骨架以及安全帶安裝點位置的極限受力狀態(tài)時的載荷值以及受力位置做為線性靜態(tài)優(yōu)化分析工況的載荷邊界條件。正碰工況受力狀態(tài)下假人與座椅接觸力及安全帶受力結(jié)果見圖6和圖7。

圖6正碰工況座墊極限力狀態(tài)

圖7正碰工況安全帶極限力狀態(tài)

如圖6所示，此時座墊骨架的受力最大，提取此時座墊的接觸力和接觸區(qū)域，以及安全帶的力值和安全帶角度做為等效靜態(tài)載荷工況的邊界條件。按相同的處理方法，提取安全帶極限力狀態(tài)下的動態(tài)載荷做為等效靜態(tài)工況的載荷邊界條件。安全帶固定點強度工況的動態(tài)載荷受力狀態(tài)見圖8。

圖8安全帶固定點強度工況

動態(tài)載荷的提取方法同上。三排座椅的動態(tài)載荷提取包括95假人后碰工況，ISOFIX 工況和行李箱沖擊工況。處理方法同上。

3.3 拓撲優(yōu)化設(shè)置

對于二排坐墊骨架和三排腳架，我們需要通過拓撲優(yōu)化來確定最優(yōu)的加強筋布置方式。因此，需要將優(yōu)化空間進行包絡(luò)填充。初始設(shè)計方案數(shù)據(jù)見圖9和圖10。填充拓撲空間后數(shù)據(jù)見圖11和圖12。

圖9二排座椅坐墊骨架初始設(shè)計方案

圖10三排座椅腳架初始設(shè)計方案

圖11二排座椅坐墊骨架填充拓撲空間

圖12三排座椅腳架填充拓撲空間

為了讓拓撲優(yōu)化結(jié)果符合制造工藝條件約束且結(jié)果更具有明確的指導(dǎo)意義。拓撲優(yōu)化分析設(shè)置增加了最小成員尺寸，拔模方向和模式組制造約束。最小成員尺寸約束控制拓撲優(yōu)化結(jié)果中材料保留部分的最小尺寸，可以控制棋盤格現(xiàn)象和離散程度。拔模方向約束使結(jié)果適合于鑄造工藝。模式組約束讓結(jié)果具有對稱性。拓撲優(yōu)化的設(shè)計空間包括二排座椅坐墊骨架，三排座椅腳架，靠背骨架和背板。設(shè)計約束見表2。以質(zhì)量最小為設(shè)計目標(biāo)。拓撲優(yōu)化分析模型見圖13和圖14。

表2 二排/三排座椅拓撲優(yōu)化設(shè)計約束表

圖13二排座椅拓撲優(yōu)化模型

圖14三排座椅拓撲優(yōu)化模型

3.4 拓撲優(yōu)化結(jié)果

通過拓撲優(yōu)化迭代計算，二排座椅和三排座椅均滿足約束條件，拓撲結(jié)果為可行解。二排座椅骨架拓撲優(yōu)化結(jié)果見圖15。通過對二排座墊骨架拓撲優(yōu)化結(jié)果進行解析。優(yōu)化方案重新布置兩側(cè)加強筋的位置，并在兩側(cè)位置進行開孔減材優(yōu)化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案見圖16。三排座椅骨架拓撲優(yōu)化結(jié)果見圖17。通過對三排座椅骨架拓撲優(yōu)化結(jié)果進行解析。三排座椅腳架重新布置中間和兩側(cè)的筋的位置，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案見圖18。三排座椅靠背骨架進行減材優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案見圖19。三排背板進行減材優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案見圖20。

圖15二排座椅拓撲優(yōu)化分析結(jié)果

圖16二排座墊骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

圖17三排座椅拓撲優(yōu)化分析結(jié)果

圖18三排腳架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

圖19三排靠背結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

圖20三排背板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

將新的方案數(shù)據(jù)進行性能驗證分析，分析結(jié)果見表3。從表3結(jié)果可以看出，二排座椅骨架經(jīng)過拓撲優(yōu)化分析，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案性能提升平均約為4.7%，最高8.3%，減重量0.6kg，減重比約為12.7%。三排座椅骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案性能提升平均約為13.2%，最高19.4%，減重量0.27Kg，減重比約為10.9%。

表3 二排/三排座椅拓撲優(yōu)化方案性能驗證結(jié)果

拓撲優(yōu)化可以在產(chǎn)品設(shè)計自由度較高時通過仿真驅(qū)動設(shè)計，綜合考察主要性能，進行結(jié)構(gòu)的正向設(shè)計。傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)流程中，概念設(shè)計階段不進行產(chǎn)品性能仿真分析，設(shè)計往往以逆向或半正向的方式進行。僅當(dāng)具有詳細的數(shù)據(jù)時才進行性能仿真分析，當(dāng)性能不滿足要求時進行方案優(yōu)化，此時產(chǎn)品的設(shè)計自由度受限于布置空間，方案選型等等因素大大降低。性能優(yōu)化也往往是通過打補丁的方式。而且通常需要兩到三輪的仿真優(yōu)化，造成分析設(shè)計周期長，成本控制和輕量化效果不好等結(jié)果。而通過在概念階段進行拓撲優(yōu)化分析，提前進行仿真優(yōu)化，綜合考察主要性能，進行結(jié)構(gòu)的正向設(shè)計?？梢蕴嵘a(chǎn)品數(shù)據(jù)成熟度及減少仿真優(yōu)化輪次，進而縮短開發(fā)周期。且通過完全正向設(shè)計，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理，在優(yōu)化的過程中可以更好地平衡性能，成本和輕量化等多方因素。

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結(jié)論

基于仿真驅(qū)動的座椅結(jié)構(gòu)正向設(shè)計方法是一種高效、準確的設(shè)計方法。使用 Optistruct 在概念設(shè)計階段，通過拓撲優(yōu)化確定最優(yōu)的材料分布和形狀。本文主要結(jié)論：

1）在座椅的概念設(shè)計階段就介入仿真分析，通過使用拓撲優(yōu)化進行座椅的正向結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以在設(shè)計自由度較高時確定最優(yōu)的材料分布和形狀。為了更準確地在概念階段全面的考察主要性能分析工況，使用等效靜態(tài)載荷法將沖擊工況的非線性動態(tài)載荷轉(zhuǎn)化為等效靜態(tài)載荷，并與其他線性靜態(tài)工況結(jié)合進行多學(xué)科多工況拓撲優(yōu)化。概念階段拓撲優(yōu)化分析為減重降本設(shè)計打下良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)。同時，較傳統(tǒng)的先設(shè)計后校核的方式相比，可以提前一輪進行性能仿真分析，提前提高產(chǎn)品設(shè)計成熟度。從而減少分析優(yōu)化的輪次，縮短開發(fā)周期。拓撲優(yōu)化方案整車減重約2Kg，單車降本約80元。

2）通過仿真驅(qū)動的座椅產(chǎn)品結(jié)構(gòu)正向設(shè)計，彌補了傳統(tǒng)通過對標(biāo)等逆向設(shè)計的不足，從知其然到知其所以然。仿真驅(qū)動的優(yōu)化往往通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，不同于簡單的材料替換方案，如輕質(zhì)合金替代鋼制結(jié)構(gòu)這種減重但增加成本的方案。往往是既減重又降本的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

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