后排座椅骨架轻量化设计

某项目后排座椅骨架40/60两侧旋转支架共四个零件,有较大的优化空间。结合后排座椅骨架设计的相关实验的仿真结果，运用HyperStudy及有限元分析软件，通过建立设计变量、DOE设计、响应面模拟、优化计算、最优解的强壮性分析等过程，实现了座椅骨架轻量化设计。

1 前言

在开发某项目后排座椅的过程中，对其后排座椅先后完成了后排行李箱碰撞、头枕的动态冲击/静态加载、扶手强度等FEA分析（此设计不需要做安全带固定点强度的相关试验），发现40/60骨架各两侧旋转支架共四零件存在较大优化空间。其中后排行李箱冲击试验是最为严苛的一项实验，且被优化零件对其它两项实验的影响很小，所以采用后排行李箱冲击试验作为优化研究的数据基础。

由表1可以看出，对于SAPH440这种材料，从FEA模拟的结果看，应力范围满足使用要求的同时，最大塑性应变仅为0.064，距离30%的材料需用应变还有很大的距离，为优化提供了很大空间。

2 建立优化变量

对于SAPH440这种材料，参考Q/BQB 310-2009 汽车结构用热连轧钢板及钢带，在0.6mm~8mm之间的规格，是可以定制的。公差标准参考Q/BQB 301-2009。

这四个支架虽然材料相同，但是在后座椅结构的中起到的作用是完全不同的，应设定为独立的变量。整个优化的过程在HyperStudy中完成，分为study setup, DOE study, Approximation, Optimization study, Stochastic study五个部分。虽然此材料规格可以定制，但我们优化的结果并不希望出现类似2.32mm这样不够圆整的规格，根据以往的设计经验可以把四个支架的厚度作为变量，离散变量的规格范围若定在2.0mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm之间，就可以建立一个4变量、每个变量7水平的全因子优化方案，但是会有74个组合，为后面的DOE加大了难度。因为在DOE中需要调用有限元求解器对每个组合进行计算，而有限元求解器的计算时间是非常长的，数据量也是很大的。所以这里不适合建立离散变量模拟，虽然它是最直接的方法。

这里我们采用建立四个支架的厚度作为连续变量，并指定变量的规格范围在2.0mm~2.6mm,通过优化逐步找到最优解。

3 建立优化约束以及优化目标

前期参考GB15083-2006汽车座椅,座椅固定装置及头枕强度要求及试验方法，进行了FEA仿真，后排行李箱碰撞的优化约束分为四个部分：

座椅骨架不得超过H点前100mm的平面，为H点前80mm（提高20%）；
头枕骨架不得超过H点前120mm的平面，为H点前96mm（提高20%）；
SAPH440材料的应力不超过其屈服强度305Mpa；
SAPH440材料的应变不超过其断后伸长率25%。

本次优化以轻量化设计为目的，优化目标就是被优化零件的质量最小、材料厚度优化为最优解。这里headrest_displacement_x 和seatback_displacement_x的两个优化约束是对头枕以及靠背骨架零件施加的，其约束极值可以在HyperStudy中确定。

4 DOE分析结果

采用full factorial(全因子法)对SAPH440_3/4/5/6四个变量进行DOE设计，如下：

本例把这四个变量设定为各自独立的变量，他们之间并不建立相关的函数关系，当然如果他们之间有确定的函数关系，是需要建立起来的。通过DOE分析可以得到以下优化组合在调用有限元求解器之后的求解结果，如图6.

为了便于观察变量和结果之间的对应关系，通过HyperStudy的后处理，观察各因子主效应图，以及各因子-响应关联度图，见图8和图7.

从图中不难看出，各变量对应力、应变的影响是比较敏感的，质量次之；而相关头枕、座椅背骨架位置受变量的影响相对不大。由于各变量对应力、应变、质量有一定的影响，故并不减少变量个数和水平。

5 响应面拟合以及优化

通过前面的分析结果很容易得到一个变量和优化约束的响应面，利用此响应面进行优化分析，得到优化结果，这些解往往和实际的材料规格是不一致的，我们要走进行判定和取舍。在确定了最优解的组合后，把新数据通过有限元求解器进行验证计算，可以得到对比的分析结果，如表3.

由表3可以看出应变和头枕部最大位移的计算结果和响应面模拟的结果存在较大差异，这是由于这四个支架在厚度发生变化后，骨架整体刚度发生了变化，最大应变、应力点的位置发生了变化，所以应变数值有较大偏差；头枕位移由于整体骨架刚度的变化也导致了相对数值的较大变化，但是绝对值很小（小于0.5mm），满足标准规定。

特别针对应变结果中对应变最大位置的变化，在HyperView中可以找到新的最大位置,见图9.新的最大应变0.162，远小于25%的许用值。

6 优化结论

通过前面的系列分析，考虑到SAPH440材料在0.6mm~8mm之间的规格是可以定制的，且尽量不增加更多的原材料规格，结合分析结果，故推荐的设计参数见表4.

在Stochastic study中对以上设计参数进行可靠性分析，结合前面设定的边界条件，四个约束条件的可靠性均达到100%.

7参考文献
[1]HyperStudy_11.0_User_Guide Altair Engineering 2011 Altair Engineering Software Co., Ltd
[2]Q/BQB 310-2009，宝山钢铁股份有限公司企业标准__汽车结构用热连轧钢板及钢带
[3]Q/BQB 301-2009，宝山钢铁股份有限公司企业标准__热连轧钢板及钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差