張君媛徐婷婷張秋實陸春林楊常群

（1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室；2.長春富維-江森自控汽車飾件系統(tǒng)有限公司）

長纖維復合材料乘用車后排座椅骨架輕量化設(shè)計*

張君媛1徐婷婷1張秋實1陸春林2楊常群2

（1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室；2.長春富維-江森自控汽車飾件系統(tǒng)有限公司）

以某款乘用車后排座椅骨架為例，采用長纖維復合材料（LFT）替換金屬，在其初始結(jié)構(gòu)無法滿足GB15083-2006法規(guī)要求的前提下，采用拓撲優(yōu)化方法分析座椅骨架的重點設(shè)計區(qū)域和傳力路徑，提出采用長纖維復合材料的座椅骨架新結(jié)構(gòu)，并利用CAE仿真技術(shù)進行了驗證。結(jié)果表明，新結(jié)構(gòu)不僅能很好地滿足法規(guī)要求，且質(zhì)量相對金屬結(jié)構(gòu)減輕了約10%，輕量化效果明顯。

1 前言

長纖維增強熱塑性（Long Fiber Thermoplastic，LFT）復合材料是由增強纖維和各種熱塑性塑料組成的具有可回收性和良好力學性能的一種復合材料。隨著汽車輕量化要求的不斷提高，LFT材料已經(jīng)越來越多地成為金屬材料的替代品。

本文以某款乘用車后排座椅骨架為研究對象，采用纖維含量為50%的長玻璃纖維-聚丙烯復合材料替換傳統(tǒng)的金屬材料，參照GB15083-2006中行李沖擊臺車試驗的要求，利用試驗和有限元仿真方法研究了初始LFT座椅骨架的抗沖擊性能，并進行LFT座椅骨架的拓撲優(yōu)化，根據(jù)得到的沖擊力傳遞路徑和材料分布結(jié)果提出了座椅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案，使其能在滿足法規(guī)抗撞性要求的同時實現(xiàn)了輕量化目標。

2 LTF復合材料特點與座椅抗撞性要求

LFT復合材料在工程中一般采用長度為10～90 mm或連續(xù)不斷的玻璃纖維作為增強體，具有更好的力學性能，能夠應(yīng)用在對承載能力要求更高的零部件上。在汽車工業(yè)中，LFT復合材料已經(jīng)在汽車防撞梁、前端模塊、儀表盤骨架、車門中間承載板、座椅骨架板等結(jié)構(gòu)件和半結(jié)構(gòu)件中得到廣泛應(yīng)用。德國大眾公司一款車型的前端模塊最初采用金屬制造，零件數(shù)量為7個，質(zhì)量為9.5 kg，而采用LFT工藝成型后，零件數(shù)量減至1個，產(chǎn)品質(zhì)量約3 kg[1]。

GB15083—2006[2]中《行李位移乘客防護裝置的試驗方法》對于汽車后排座椅沖擊強度的認證規(guī)定采用臺車試驗臺進行座椅的沖擊試驗。試驗樣塊尺寸為300 mm×300 mm×300 mm，棱邊倒角為20 mm，質(zhì)量為18 kg。試驗樣塊放置于行李艙的地板上，縱向與骨架有200 mm的水平距離，兩試驗樣塊之間有50 mm的橫向距離，安放位置如圖1所示。

試驗過程中及試驗后，若座椅及靠背鎖仍保持在原來位置，則認為滿足要求。在試驗期間，允許座椅骨架及其緊固件變形，條件是試驗骨架和頭枕部分的前輪廓不能向前方超出一橫向垂面，此平面經(jīng)過座椅R點前方100 mm處的點（對座椅骨架部分）。

3 初始座椅骨架結(jié)構(gòu)的試驗測試與性能分析

根據(jù)已有的座椅設(shè)計經(jīng)驗，提出了初始的后排座椅骨架結(jié)構(gòu)，并加工出樣件進行了試驗測試。該骨架為分體式結(jié)構(gòu)，由60%座椅骨架和40%座椅骨架兩部分組成，頂端通過中心鎖與臺車相連，底部通過中間與兩側(cè)的支架與臺車相連接。參照GB15083-2006中行李沖擊試驗的要求，將兩個行李塊布置在臺車上，臺車所施加的減速度曲線如圖2所示。

沖擊試驗結(jié)果如圖3所示，座椅骨架上連接鉸鏈的區(qū)域由于設(shè)置了加強筋，在碰撞過程中完整性較好，但座椅骨架上與行李接觸的部分出現(xiàn)斷裂破壞，因此初始結(jié)構(gòu)未能滿足法規(guī)要求。為進一步研究初始骨架結(jié)構(gòu)的抗撞性與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，本文通過非線性大變形有限元分析軟件Ls-Dyna建立了行李沖擊試驗的動態(tài)仿真模型。目前，由于LFT復合材料的力學性能受纖維方向的影響并且在斷裂破壞過程中出現(xiàn)多種失效形式（例如纖維斷裂、基體破碎、纖維和基體的撕裂以及分層等），CAE仿真技術(shù)很難對其各個方向的力學特性和破壞失效進行模擬[3]。為了及時對初始結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供指導，本文對LFT材料進行了簡化，采用軟件中24號 彈 -塑 性 材 料 模 型（*MAT_PIECWISE_LIN?EAR_PLASTICITY）來模擬，輸入的材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線由LFT復合材料試件的拉伸試驗獲得，如圖4所示，同時設(shè)置失效塑性應(yīng)變EPPF來判斷材料破壞情況。

由圖3可知，試驗樣塊與座椅骨架在65 ms時發(fā)生接觸；在71 ms與77 ms時，40%座椅骨架與60%座椅骨架分別出現(xiàn)破裂；在84 ms時，整個座椅骨架徹底斷裂。對比試驗錄像可見，破壞位置及發(fā)生時刻與試驗基本相同。簡化后的材料模型和邊界加載條件可以有效模擬行李沖擊試驗。本文同時計算了不同骨架厚度的仿真模型，發(fā)現(xiàn)當骨架厚度為15 mm時，座椅骨架能夠滿足法規(guī)要求，但質(zhì)量達到16.4 kg，超過一般金屬骨架質(zhì)量（10～12 kg[4]），所以需要對LFT復合材料座椅骨架結(jié)構(gòu)同時進行抗撞性和輕量化設(shè)計。

4 LFT座椅骨架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化與改進設(shè)計

本文采用拓撲優(yōu)化技術(shù)對LFT座椅骨架在行李沖擊工況下的力傳遞路徑進行分析，以獲得合理的材料分布信息，進而有針對性地提出LFT座椅骨架改進設(shè)計方案。將座椅骨架有限元模型的幾何尺寸和局部結(jié)構(gòu)進行簡化，如圖5所示，60%、40%座椅骨架主體簡化為長方形平板，寬度×高度×厚度尺寸分別為649 mm× 610 mm×12 mm和370 mm×610 mm×12 mm。骨架頂端與臺車連接位置簡化成長方形并預留出中心鎖固定凹槽，底端的外支架和中支架結(jié)構(gòu)也進行了相應(yīng)簡化。骨架結(jié)構(gòu)利用1D單元模擬螺栓和鉸鏈的連接，對兩塊座椅骨架頂端中心鎖、底部固定鉸鏈處的自由度共設(shè)置了6個約束。該模型采用靜力加載工況，從加厚至15 mm的初始座椅骨架模型中提取出行李與骨架X、Z向接觸反力曲線并將其峰值作為加載載荷（其中FX為35 kN，F(xiàn)Z為23 kN），均勻布置到骨架上行李塊接觸的位置。模型設(shè)定體積和加權(quán)應(yīng)變能為優(yōu)化響應(yīng)，優(yōu)化目標為加權(quán)應(yīng)變能最小，由于加權(quán)應(yīng)變能與剛度為倒數(shù)關(guān)系，優(yōu)化目標即是座椅骨架結(jié)構(gòu)的剛度最大。

模型在OPTISTRUCT軟件中經(jīng)過50步迭代優(yōu)化計算，得到了結(jié)構(gòu)單元密度云圖和X向位移云圖如圖6和圖7所示。單元密度取值范圍為[0，1]，當其等于1時表示材料保留，等于0時表示材料可以去除。從圖6中保留材料的分布位置可以看出，所施加靜載力從行李塊接觸位置傳遞到頂端和底部與臺車相連接的位置。優(yōu)化的座椅骨架結(jié)構(gòu)在靜力加載下，X方向最大變形量由初始的145.4 mm減小至36.5 mm，如圖7所示，骨架剛度明顯改善。因此，本文將行李接觸部位和力傳遞路徑作為座椅骨架抗撞性設(shè)計的重要區(qū)域，在行李接觸位置可根據(jù)優(yōu)化結(jié)果布置交叉加強筋來提高強度；骨架頂端和底部區(qū)域在保證與臺車連接強度的同時與行李沖擊位置處的加強筋保持連續(xù)，以便沖擊載荷能有效通過金屬鉸鏈傳遞給臺車。

根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，對LFT座椅骨架的初始結(jié)構(gòu)進行了重新設(shè)計，提出了3種座椅骨架加強筋布置形式，通過調(diào)整骨架和加強筋的幾何參數(shù)來尋找滿足法規(guī)抗撞性要求的輕量化座椅骨架結(jié)構(gòu)。3種加強筋的布置形式如圖8所示，方案1中在行李碰撞區(qū)域布置了橫縱垂直交叉的加強筋，并利用凸臺和斜置的加強筋將沖擊力傳遞給金屬鉸鏈和臺車；方案2采用斜置加強筋連接骨架頂端和底部，中間沖擊位置通過加強筋的交叉進行加強；方案3對行李碰撞區(qū)域設(shè)置了水平、X型加強筋，通過斜置加強筋連接頂端和底部并與行李碰撞區(qū)域加強筋相連。

針對上述方案，本文將座椅骨架分成行李碰撞區(qū)、非碰撞區(qū)、頂端連接區(qū)和加強筋4個部分，選取了8個設(shè)計參數(shù)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，包括40%座椅碰撞區(qū)厚度t1，40%座椅非碰撞區(qū)厚度t2，60%座椅碰撞區(qū)厚度t3，60%座椅非碰撞區(qū)厚度t4，40%座椅頂端鏈接區(qū)厚度t5，60%座椅頂端連接區(qū)厚度t6，加強筋厚度t7，加強筋高度h。提出的10種改進方案計算結(jié)果見表1。本文建立了相應(yīng)改進結(jié)構(gòu)的行李沖擊有限元模型來驗證抗沖擊性能，其中，9號結(jié)構(gòu)的骨架變形如圖9所示。

表1 單一LFT座椅骨架結(jié)構(gòu)改進計算結(jié)果

從表1中可以看出，10組改進結(jié)構(gòu)中只有4組通過了法規(guī)要求，且變形量遠小于初始結(jié)構(gòu)，表明加強筋顯著提高了座椅骨架的抗沖擊性能。從質(zhì)量上看，方案3的改進結(jié)構(gòu)輕量化效果最為明顯，達到9.8 kg，相對于金屬骨架減輕約10%。

5 結(jié)束語

本文以乘用車后排座椅骨架作為研究對象，采用LFT復合材料來代替原金屬骨架，通過拓撲優(yōu)化方法分析將骨架結(jié)構(gòu)的碰撞部分和碰撞力傳遞路徑作為重點設(shè)計區(qū)域，提出了LFT座椅骨架改進結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明，改進結(jié)構(gòu)在滿足法規(guī)行李沖擊試驗要求的同時質(zhì)量相對金屬結(jié)構(gòu)減輕了約10%，達到9.8 kg，輕量化效果明顯。

雖然本文的研究內(nèi)容可以初步用于指導LFT復合材料座椅骨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計，但在實際應(yīng)用上，除了需要考慮成本、工藝等技術(shù)問題，就LFT復合材料的仿真技術(shù)分析而言，還有很多問題需要進一步研究，特別是LFT復合材料破壞過程中的多種失效形式（包括纖維斷裂、基體破碎、纖維和基體的撕裂以及分層等）的模擬，因此本文模型的準確性仍需要試驗數(shù)據(jù)來進行驗證和校正。

1 汪慶洋.纖維增強復合材料乘用車后排座椅骨架輕量化設(shè)計研究：[學位論文].長春：吉林大學，2014.

2 GB15083-2006，汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法.北京：中國標準出版社，2006.

3 張彥.纖維增強復合材料層合結(jié)構(gòu)沖擊損傷預測研究：[學位論文].上海：上海交通大學，2007.

4 黃炫,張君媛,陸善彬,等.某轎車后排座椅骨架CAE分析及輕量化設(shè)計.汽車技術(shù),2010,5:18-22.

5 邱少波．汽車座椅系統(tǒng)的安全性要求及評價．汽車技術(shù)，1996(7):12～19．

6 李喆，孫凌玉．復合材料薄壁管沖擊斷裂分析與吸能特性優(yōu)化．復合材料學報，2011，28（4）：212～218．

7 Vikas Gupta,Mick Teckert and Jane Palmieri,etal.All Tter?moplastic Ligttweigtt Structural Rear-Seat-Back.SAE Tect?nical Paper,2001-01-0324.

8 Dong Won Stin,Nam Tyeong Kim and Sun Suk Lee etal.De?velopment of Seating System witt GMT for ECE 17.07(Lug?gage Retention)Regulation.SAE Tectnical Paper,2002-01-1041.

（責任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年7月1日。

Lightweight Design of a Car Rear Seat Frame Based on Long Fiber Thermoplastic Composites

Zhang Junyuan1,Xu Tingting1,Zhang Qiushi1,Lu Chunlin2,Yang Changqun2
（1.State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control,Jilin University;2.Changchun Faway-Johnson Controls Automotive Systems Co.,Ltd）

Taking a car rear seat frame as example,which uses long fiber thermoplastic composites(LFT)to replace metal materials,topology optimization method is used to analyze the key design area of seat frame and the force transferring path,since the initial LFT structure can’t satisfy the requirement of GB15083-2006.Then,a new seat frame structure with long fiber thermoplastic is presented and validated by CAE simulation technique.The results show that:the optimized structures can not only meet the requirements,but also have obvious lightweight effect with about 10%of the initial mass are reduced.

Car rear seat，Lightweight，Composite material，Topology optimization

乘用車后排座椅 輕量化 復合材料 拓撲優(yōu)化

U463.83+6

A

1000-3703（2015）08-0010-04

長春市科技計劃項目（12ZX19）。