基于OptiStruct后排座椅结构拓扑与参数优化的应用研究

李啟定，黄政平，卢磊，谭纯

(广州广汽优利得汽车内饰系统研发有限公司，广东广州 510800)

0 引言

汽车行业作为制造业的支柱产业，飞速发展。汽车零部件对产品的性能要求也愈发严苛，轻量化设计是各大汽车厂商追求的方向。在结构设计与优化方面，汽车座椅在安全约束系统中占据不可忽视的地位，并承担保护乘员安全的重要责任，拓扑优化是该领域最具有生命力的新兴研究方向[1-2]。利用优化软件进行拓扑优化能先导设计，定义设计方向，提高设计效率。文中基于OptiStruct优化软件，对汽车后排座椅6分背在安全带固定点强度试验的工况下，同时进行管架结构形式的拓扑与圆管截面参数的优化。

1 后排座椅靠背管架结构拓扑与参数优化的研究

1.1 后排座椅靠背结构及试验受力的特点

后排座椅6分背结构特点可以概括为两点：首先，其6分背骨架的组成形式主要是以空心圆管通过焊接形成的管架结构；其次，骨架外框结构形式较为固定。

文中主要是基于安全带固定点的工况进行座椅后排6分背的优化，从试验变形结果(如图1所示)分析来看，管架结构主要变形模式为弯曲变形。

图1 试验变形结果图

从受力图(如图2所示)分析来看，管架结构的主要受力形式为弯矩。这是安全带固定点工况的主要受力特点。

图2 受力分析图

1.2 优化模型理论依据

在OptiStruct拓扑优化基础模型中，主要有片体单元优化及实体单元优化两种形式。综合上面的分析，使用实体模型分析时，其框架结构截面为矩形，而实际模型截面形状为圆环型，在此，必须进行有效的转换才能保证有效的优化。

结合试验变形与受力分析，基于弯曲变形等效，可以将实体与空心管进行等效转换，如下式：

其中：ρ为弯曲变形曲率；IZ为抗弯模量。

由上式可以推出，在相同弯矩及相同材料的情况下，弯曲变形相同的条件为IZ相等。基于此得出：6分背管架结构转化为OptiStruct实体优化模型的理论依据为抗弯模量相等(弯矩等效)。

1.3 骨架结构几何参数转换

矩形实体结构示意图如图3所示，其抗弯模量计算如下式：

图3 矩形实体

空心圆管结构示意图如图4所示，其抗弯模量计算如下式：

图4 空心圆管

1.4 优化模型有效性验证

表1 弯矩等效转换表

图5所示为原始模型(空心圆管)，图6所示为原始模型结果。

图5 原始模型

图6 原始模型结果

图7所示为优化模型(矩形截面)，图8所示为优化模型结果。

图7 优化模型(等效模型)

图8 优化模型结果

原始模型和优化模型通过弯矩等效理论进行转换后，其有效率如表2所示。

表2 原始模型和弯矩转换模型间的有效率

2 案例应用

通过上面弯矩等效转换得到等效模型，其设计区域可设为无非设计区域、有非设计区域两种。具体如图9—图10所示。

在设计区域设置优化响应，包括位移响应、体积分数响应及柔度响应。具体响应及约束方案设置如表3所示。

表3 设计区域约束方案

经国标查询得到能使用的管径大小规格，定义3种管径规格的方案如表4所示，之后进行仿真得出仿真结果。

表4 弯矩等效参数优化方案 mm

依照表4的方案定义优化模型外框尺寸，并以表3为各个方案的约束条件，进行优化计算得出各个方案的最佳传力路径及受力形式的结果，如表5所示。

从表5可以看出各个方案的具体传力路径，并得出以下几个结论：首先，从无非设计区域结果来看，固定的外框结构不是最佳传力路径；其次，从有非设计区域结果来看，主要的受力部位为左侧与上下外框；最后，如果在外框结构不能更改的情况下，在左侧增加竖向的管件结构可以有效提高刚度。

表5 优化结果汇总

2.1 优化方案制定

依据表5的方案结果，参考最优传力路径，分别对原始模型的管径规格及管径厚度进行优化，各方案汇总如表6所示。

表6 优化方案汇总

2.2 优化结果验证

依据表6方案汇总，分别进行安全带固定点(静态)仿真及行李箱冲击(动态)仿真，具体如表7—表8及图11—图12所示，对仿真结果进行汇总如表9—表10所示。

表7 安全带固定点优化结果

表8 行李箱冲击仿真结果

图11 安全带固定点位移图

图12 行李箱冲击位移图

表9 安全带固定点结果汇总

表10 行李箱冲击仿真结果汇总

通过结果对比可以看出：经过拓扑优化得到的结果来制定优化方案，其效果都有所提升，其中方案一和方案二通过对材料的重新分布，主要体现在性能的提高，方案二在刚度改善上达47%。方案三以拓扑结果为依据通过结构形式的改变和管径的改变，使整体轻量化，质量下降7.2%，同时刚度都有一定的提高。

3 结论

基于OptiStruct进行拓扑与参数优化，能有效实现轻量化、高性能的设计，降低成本、提升产品性能，通过对优化结果的解读，能直接有效地提供结构设计的尺寸、结构、位置等几何参数，定义设计方向，提高设计效率。基于弯矩等效转换的力学依据可靠有效，能将管架结构有效地转化为优化基础模型。