技術干貨丨基于仿真驅動的座椅結構正向設計方法研究

技術鄰公告

2025年12月31日 10:16

*本文投稿自汽車行業用戶方永利

本文采用 Altair OptiStruct 求解器在概念設計階段，通過引入拓撲優化技術，結合等效靜態載荷法，將沖擊工況的非線性動態載荷轉化為等效靜態載荷，與線性靜態工況結合進行多學科多工況的拓撲優化。此方法能夠在設計自由度較高的概念階段確定最優的材料分布和形狀，為后續減重降本設計奠定基礎。

具體而言，概念階段的拓撲優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逆向設計的不足，實現了從知其然到知其所以然的轉變，而且通過結構優化設計而非簡單的材料替換，達到了既減重又降本的效果。

前言

隨著能源危機和環境污染問題的加劇，汽車行業對節能減排的要求越來越高。汽車輕量化成為實現這一目標的重要途徑。對于燃油車而言，汽車質量每減少100kg，每百公里可節省燃油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，具有更顯著的節能減排優勢，但在續航方面面臨較大壓力。汽車重量每減少100kg，續航里程可增加2.4%，因此輕量化成為解決續航焦慮的關鍵。

在現代工業設計中，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。傳統汽車座椅多采用鋼制結構，重量較大，不符合輕量化需求。鎂合金作為一種輕質合金，其密度約為1.8g/cm3，遠低于鋼的7.85g/cm3。雖然鎂合金的力學性能低于鋼，但在比強度和比模量方面具有明顯優勢，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。

傳統座椅設計方法依賴經驗試錯，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科多工況拓撲優化的方法，該方法在概念設計階段綜合考慮模態、剛度和沖擊工況等關鍵因素，通過仿真驅動設計優化，平衡性能、成本和重量。

座椅性能分析

在座椅結構正向設計過程中，首先需要明確座椅的使用工況和性能要求。如國家標準要求的汽車安全帶固定點及 ISOFIX 固定點系統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剛強度等。這些工況包括靜態負載、動態沖擊、振動等方面。

其中靜態負載工況主要考察座椅需要承受乘客的靜態重量，并保持結構的穩定性和耐久性。通過仿真分析，可以評估座椅在靜態負載下的應力分布和變形情況，確保結構的安全性和可靠性。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，高度調節結構和滑道鎖止結構無破裂，滑軌鎖止機構不失效，并可以打開。其他工況還包括靠背靜強度、頭枕靜強度、扭轉剛強度、橫向剛強度、側向剛強度、安全帶固定點強度等。

動態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。

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特性，并進行相應的優化設計。如圖3所示，模態分析，模擬座椅骨架的振動特性。

概念階段拓撲優化

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

拓撲優化的傳統方法是基于靈敏度分析，這對于線性靜態問題來說是很容易獲得的。當必須考慮碰撞載荷情況時，必須考慮高度非線性動態碰撞問題的特殊性。在碰撞過程中結構會發生大變形。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。為了正確預測材料性能，必須考慮應變率相關性和復雜的失效準則。大部分力是通過接觸傳遞的。這些由于材料非線性、幾何和網格以及載荷和邊界條件的瞬態特性之間的復雜相互作用，推導動態分析的解析靈敏度是非常困難的。因此，傳統的基于靈敏度的拓撲優化方法不適用于涉及結構碰撞問題。

針對以上問題，本文采用等效靜態載荷法將非線性動態分析域和線性靜態優化域相結合。通過將非線性動態模擬的離散時間提取等效靜態載荷。使其在線性靜態優化的分析狀態中結構產生的響應與動態特性中特定時間的非線性動態響應具有相同的載荷場。使用等效靜態載荷在多個載荷條件下執行線性靜態優化。由于非線性，其他結構響應（如應變和應力）在分析和優化域中并不相同。因此，優化過程只考慮整體結構的剛度特性，遵循剛度設計強度校核的設計原則。整個優化過程中關鍵的處理過程包括：1、工況的選擇；2、動態載荷提取；3、拓撲優化設置。

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剛強度、模態、動態沖擊等數十種工況。在拓撲優化分析過程中，需要考慮優化效率和優化效果。包括優化迭代計算時間，收斂情況及優化結果合理性等。因此需要在數十種工況中選取關鍵工況做為拓撲優化分析時考察的工況。選取工況的主要原則是根據當前的性能狀態，性能余量，工況的受力特點及歷史分析數據結果等因素進行綜合選取拓撲優化的分析工況。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據如圖4和圖5所示。

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

3.2 動態載荷提取

對于選取的關鍵工況中的動態沖擊工況，需要將動態載荷大小及位置提取出來，加載到線性靜態優化模型中。當座椅在概念設計階段，還沒有數據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構的歷史仿真結果來做載荷的提取。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優化模型中，等效為線性工況進行拓撲優化分析。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時的載荷值以及受力位置做為線性靜態優化分析工況的載荷邊界條件。正碰工況受力狀態下假人與座椅接觸力及安全帶受力結果見圖6和圖7。

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域，以及安全帶的力值和安全帶角度做為等效靜態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下的動態載荷做為等效靜態工況的載荷邊界條件。安全帶固定點強度工況的動態載荷受力狀態見圖8。

動態載荷的提取方法同上。三排座椅的動態載荷提取包括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 拓撲優化設置

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

為了讓拓撲優化結果符合制造工藝條件約束且結果更具有明確的指導意義。拓撲優化分析設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化結果中材料保留部分的最小尺寸，可以控制棋盤格現象和離散程度。拔模方向約束使結果適合于鑄造工藝。模式組約束讓結果具有對稱性。拓撲優化的設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。設計約束見表2。以質量最小為設計目標。拓撲優化分析模型見圖13和圖14。

3.4 拓撲優化結果

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

將新的方案數據進行性能驗證分析，分析結果見表3。從表3結果可以看出，二排座椅骨架經過拓撲優化分析，結構優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%。三排座椅骨架結構優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%。

拓撲優化可以在產品設計自由度較高時通過仿真驅動設計，綜合考察主要性能，進行結構的正向設計。傳統的產品開發流程中，概念設計階段不進行產品性能仿真分析，設計往往以逆向或半正向的方式進行。僅當具有詳細的數據時才進行性能仿真分析，當性能不滿足要求時進行方案優化，此時產品的設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化，造成分析設計周期長，成本控制和輕量化效果不好等結果。而通過在概念階段進行拓撲優化分析，提前進行仿真優化，綜合考察主要性能，進行結構的正向設計。可以提升產品數據成熟度及減少仿真優化輪次，進而縮短開發周期。且通過完全正向設計，使得結構設計更加合理，在優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。

結論

基于仿真驅動的座椅結構正向設計方法是一種高效、準確的設計方法。使用 Optistruct 在概念設計階段，通過拓撲優化確定最優的材料分布和形狀。本文主要結論：

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

2）通過仿真驅動的座椅產品結構正向設計，彌補了傳統通過對標等逆向設計的不足，從知其然到知其所以然。仿真驅動的優化往往通過結構優化設計，不同于簡單的材料替換方案，如輕質合金替代鋼制結構這種減重但增加成本的方案。往往是既減重又降本的結構優化方案。

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