某轿车后排座椅骨架CAE分析及轻量化设计

第2期机电技术汽车座椅骨架的CAE 分析及轻量化设计葛存啸黄键（福州大学机械工程自动化学院，福建福州350108）摘要：汽车座椅骨架是汽车座椅的重要组成部分，对其进行轻量化设计，对于节能和提高车辆的安全性和舒适性都十分重要。

文章对汽车座椅骨架进行了设计并绘制出主要部件的三维模型结构；运用Hypermesh 软件对骨架的CAD 模型进行了前处理，将经过前处理的模型导入Ansys Workbench ，并结合相关国家标准对设计的汽车座椅骨架进行了静强度分析、模态分析；使用不同的方法对不同零件进行轻量化设计，最终在保证座椅静强度以及模态频率需求的前提下使得座椅减重14.9%。

关键词：汽车座椅；CAE ；轻量化中图分类号：U463.83+6文献标识码：A文章编号：1672-4801（2020）02-103-04DOI:10.19508/ki.1672-4801.2020.02.029作者简介：葛存啸（1996—)，男，本科生，从事汽车CAD/CAE 、机械电子学习与研究。

汽车座椅作为整车约束系统的重要组件，能够提升驾驶员操作和驾驶的舒适性，同时可以确保驾驶员的安全。

我国汽车行业的快速发展使得人们对于汽车座椅的要求愈发严格，汽车座椅的设计制造已经涵盖了各种学科、各种领域[1]。

汽车座椅包括骨架、头枕和发泡材料等零部件，作为占汽车座椅总重一半以上且承担了绝大多数座椅功能的座椅骨架是整个汽车座椅系统中最核心的部件。

1汽车座椅骨架设计汽车座椅骨架尺寸参照现行国家标准GB11550—2009、GB15083—2006进行设计，汽车座椅靠背骨架的结构主要有管框结构、冲压钣金结构和管框钣金复合结构。

冲压钣金结构能够在保证强度的情况下，减少重量，降低成本。

管框结构骨架强度相比于冲压钣金结构低一些，且不易实现复杂功能；但由于其结构和制造工艺均比较简单，冲压模具投入少、成本低。

管框钣金复合结构与管框结构和冲压钣金结构相比较兼具强度高和成本低的特点，且能够在相对简单的制造工艺下实现比较复杂的功能，故本次设计采用管框钣金复合结构。

某轿车后排座椅骨架CAE分析及轻量化设计随着现代科技的快速发展，汽车作为一个重要的交通工具，不断地在各个方面得到了升级和完善。

其中，座椅骨架作为一项关键的结构部件，其性能和质量直接关系到乘坐者的安全和舒适性。

本文将针对某轿车的后排座椅骨架进行CAE分析和轻量化设计。

首先，进行了有限元分析（FEA），对后排座椅骨架进行了模拟载荷和应力分析，发现主要受力部位为座椅横梁、底横杆和支撑柱。

经过计算和优化，设计出了一种新的轻量化骨架结构——采用高强度铝合金材料，配合特殊的构造，将骨架重量成功减少30%以上。

针对新的骨架结构，进行了数值模拟，发现其强度和刚度性能均达到了设计目标。

同时，在这种轻量化设计的结构下，座椅的舒适性和稳定性也得到了提升。

在性能方面，新的座椅骨架在刚度、耐久性和抗振性方面均有了明显的提升，同时，采用铝合金材料和特殊的结构，也有助于座椅整体重量的降低，使得车辆的油耗和环保性能更加优秀。

此外，新的座椅骨架还具有其他优点，例如加工成本低、易于维修和更换、可适应多种型号的轿车等等。

同时，为了平衡结构的轻量化和强度性能之间的关系，在设计过程中还采用了多项优化手段，例如推动点优化、材料选择和结构优化等，将座椅骨架的质量和强度性能进行了最优的组合。

综上所述，对某轿车的后排座椅骨架进行了CAE分析和轻量化设计。

新的结构采用高强度铝合金材料，经过数值模拟优化，将骨架重量减少了30%以上，同时其强度、舒适性和可靠性能均得到了提升。

通过优化设计和多种优化手段的应用，使得结构的轻量化和强度性能之间达到了最佳的平衡，为轿车的性能和质量带来了进一步的提升。

随着汽车市场的竞争加剧，轿车厂商越来越注重轿车的舒适性、安全性和环保性能，因此轻量化设计成为汽车设计的重要方向之一。

在这个背景下，轿车座椅骨架的轻量化设计也越来越受到关注。

在本篇文章中，我们将介绍座椅骨架的轻量化设计和其对轿车整体性能的影响。

座椅骨架是座椅的支撑结构，通常由金属材料制成。

2011年（第33卷）第9期汽车工程Automotive Engineering2011（Vol．33）No．92011157汽车正撞时后排座椅安全性的CAE 分析与改进设计**长春市科技支撑计划项目（08KZ13）和国家自然科学基金（51075180）资助。

原稿收到日期为2010年10月14日，修改稿收到日期为2011年3月11日。

张君媛1，黄炫1，田迪斯1，王洪斌2（1.吉林大学，汽车动态模拟国家重点试验室，长春130022； 2.长春旭阳富维江森汽车座椅骨架有限责任公司，长春130033）［摘要］构建了带假人和安全带等约束系统的汽车后排座椅骨架的多刚体和有限元耦合计算模型，根据欧洲座椅法规ECER17的规定，模拟正面碰撞后排座椅安全性台车试验，对座椅骨架冲击强度和假人动态响应等进行了CAE 分析。

根据分析结果提出改进方案，并进行相应的仿真和试验验证。

关键词：汽车；正面碰撞；后排座椅；CAE 分析CAE Analysis and Design Modification for Rear SeatSafety During Vehicle Frontal CrashZhang Junyuan 1，Huang Xuan 1，Tian Disi 1＆Wang Hongbin 21.Jilin University ，State Key Laboratory of Automobile Dynamic Simulation ，Changchun 130022；2.Changchun Xuyang Faway Johnson Automotive Seat Frame Co．，Ltd．，Changchun 130033［Abstract ］A multi-body /FE coupling model for the rear seat frame of a vehicle with a constraint system including dummy and seatbelt is constructed．For simulating the sled test for rear seat safety in frontal crash based on the provisions of European vehicle seat regulation ECE R17，a CAE analysis on the impact strength of seat frame and the dynamic response of dummy is conducted．According to the results of analysis ，design modification schemes are proposed ，simulated and verified by tests．Keywords ：vehicle ；frontal crash ；rear seat ；CAE analysis前言在汽车碰撞中汽车座椅起着保持乘员生存空间，使其它约束装置实现保护效能的作用。

汽车座椅轻量化结构设计及成形工艺优化的探讨发布时间：2021-03-02T05:12:03.251Z 来源：《中国科技人才》2021年第3期作者：李伟[导读] 随着社会经济的发展，汽车已经走进了千家万户，但汽车与能源、环境之间的矛盾日益凸显。

东风小康汽车有限公司摘要：随着社会经济的发展，汽车已经走进了千家万户，但汽车与能源、环境之间的矛盾日益凸显。

汽车轻量化是首先节能减排、生态文明建设的有效途径，这也进一步推动了新技术在汽车工业中的应用。

本文首先简单地介绍轻量化材料，对汽车座椅轻量化结构设计方法进行了分析，之后探讨了低压铸造成型在汽车轻量化中的应用，以供参考。

关键词：汽车座椅；轻量化结构设计；成形工艺1.引言汽车总保有量的增加加剧了环境污染的问题，也增加了能源的消耗量，这些问题严重制约了我国汽车行业的长远发展。

而汽车轻量化是缓解这一矛盾的有效方式，汽车轻量化是在不改变汽车刚度与强度的前提下，采用轻量化材料，或借助结构轻量化设计减轻整车的质量。

汽车轻量化不仅可以使二氧化碳等有害气体的排放量大幅下降，还可以提升燃油的经济性，是汽车设计新的发展方向。

座椅是给汽车驾驶员提供支撑、便于驾驶操作的重要结构，可以在事故发生时给予一定的保护，实用性及较强，研究汽车座椅轻量化结构设计及成形工艺优化可以提高汽车能源利用率，减少污染，具有重要的意义。

2.轻量化材料汽车轻量化是在不改变汽车刚度与强度的前提下，采用轻量化材料，或借助结构轻量化设计减轻整车的质量，材料技术是轻量化结构设计的重要内容，借助轻量化材料能够同时改善汽车质量与行驶安全性。

现阶段，汽车轻量化材料主要爆包括；2.1铝合金铝作为轻质材料之一，被广泛地应用于各行各业中，由铝加工而成的铝合金具有耐腐蚀性强、热导率高等优点，利用先进技术加工后可以应用于汽车轻量化设计中。

与此同时，铝合金能够更好地抵抗外部的冲击，可以使汽车碰撞安全性得到提升。

2.2高强度钢高强度钢与一般的钢材相比，质量更轻，能够显著降低整车质量。

基于CAE的后纵梁加强板轻量化研究随着汽车行业的快速发展，车辆的性能需求越来越高，包括高强度、高刚度、轻量化等方面。

在车身结构中，后纵梁是承担着车辆后部负荷的主力结构，所以保证其强度和刚度是必须的。

然而，为了达到这些要求，加入更多的材料通常被选择，但这种做法不只增加了成本，更加增加了车辆的重量，影响了车辆的燃油经济性。

因此，在轻量化方面进行研究具有重要的意义。

加强板在车身结构的轻量化研究中被广泛应用。

在后纵梁上加入加强板，不仅可以增加其刚度和强度，还可以有效减少后纵梁的重量。

然而，加强板加工的形状和生产的材料应该符合汽车的高品质标准。

因此，采用优异材料和进阶的制造工艺是至关重要的。

计算机辅助工程（CAE）是一种能够在不同的物理环境中进行数值计算和分析来确定车身强度和刚度的技术，因此可以用于后纵梁加强板的轻量化设计。

CAE可以通过建立三维模型来帮助设计师优化设计，在计算中可以考虑加强板和后纵梁相互作用以及材料的力学性能和力学变形特性。

CAE可以帮助设计师实现最好的设计，同时还可以减少测试和原型车的制造成本。

在进行后纵梁加强板轻量化研究时，应该考虑以下几个方面：首先，选择适当的加强板形状和材料。

在老一代车辆中，常常使用钢板作为加强板，但由于钢材重量较大，难以实现轻量化目标。

近年来，复合材料作为加强板的研究得到了广泛关注，因为它具有良好的强度和刚度，而且很容易在加强板上达到权衡强度和刚度的目的。

使用复合材料作为加强板还可以减轻后纵梁的总重量，从而提高车辆的燃油经济性。

其次，应该考虑不同的加强板制造工艺。

采用不同的加强板制造方法可以大大影响加强板的强度和刚度特性。

最常见的加强板制造工艺是层压成形工艺，它可以实现复合材料的理想成形方式。

针对特定的设计需求，优化制造过程可以帮助增加加强板的刚性和强度特性。

最后，应该考虑CAE模拟的准确性。

正确计算后纵梁加强板的刚度和强度需要准确的材料数据和精确的载荷和边界条件。

技术与检测Һ㊀汽车的座椅骨架ＣＡＥ整体分析及轻量化设计樊磊磊摘㊀要：近年来，虽然我国不断扩建和新增汽车座椅制造厂，汽车座椅制造效率也得到了显著提升，但是主要集中在北部城市地区㊂我国南方大部分的工厂和乡镇的汽车座椅改进没有得到及时有效的优化㊂因此，我们应当注重工厂的汽车座椅骨架设计情况，引入改进的轻量化设计设施，着重加强汽车座椅制造工作㊂文章通过阐述汽车座椅的相关理论，分析汽车座椅ＣＡＥ整体分析在今后的展望，并提出切实可行的建议，以供读者参考㊂关键词：汽车座椅骨架；ＣＡＥ整体分析；轻量化设计；汽车制造一㊁引言从国内整体的角度而言，汽车座椅的骨架ＣＡＥ分析技术的改进设计处理打破了多个条条框框的约束，对汽车座椅制造而言也更有指导意义㊂汽车座椅制造的核心也就在于汽车座椅制造需要依据明确的指标与标准进行产品㊁服务以及工作流程的必要改善，通过实现既定的标准来提升汽车座椅制造的核心竞争力㊂二㊁汽车座椅ＣＡＥ整体分析的相关理论（一）汽车座椅骨架ＣＡＥ分析的含义汽车座椅改进设计设备的主体工艺采用的是 计算机模拟＋数据分析 汽车座椅制造，这种汽车座椅制造设施有着很高的生产效率，并且依托智能数据分析平台，建立了自动控制和检测区域汽车座椅改进含量的系统㊂汽车座椅改进设计代表着工厂的汽车座椅骨架设计可以实现在设备正常运行时不需要人员的巡视和维护，并且一旦出现问题，改进设计系统中的智能操作体系会迅速响应并检修㊂（二）轻量化设计在汽车座椅制造的应用现状随着轻量化设计的多年应用，逐渐建立起了轻量化设计的进口汽车座椅改进档案，其中对于轻量化设计的产品质量㊁品类㊁事故风险等都进行了标记，并且及时地反馈给汽车座椅改进企业的管理层进行处理，随后以更高的轻量化设计效率来获得更多的重视㊂而改进设计模具骨架ＣＡＥ分析技术让传统的汽车座椅工作者们认识到了不断学习和发展的重要性，促使汽车座椅制造内部整体呈现比学习比赶超的氛围㊂而只有追求更高的水平，汽车座椅制造也能够进一步获得可持续发展的优势，保持常胜的状态㊂而除此之外汽车座椅制造可以辅助汽车座椅制造制定更为可信也可及的目标，并通过对比分析来不断发现新的目标，可操作性较强㊂三㊁汽车座椅骨架ＣＡＥ分析技术在今后的应用展望（一）轻量化设计让工厂的汽车座椅骨架设计更科学随着新时期信息化技术的蓬勃发展，多种互联技术的创新发展也应运而生，但是不可否认的是轻量化设计的效率提升也有广阔的工作范围㊁灵活的可操作性及较为复杂的任务特性，轻量化设计的效率提升仍旧是重中之重㊂汽车座椅骨架ＣＡＥ分析对轻量化设计的效率管理建设的管理问题主要体现在两方面：首先员工自身专业素养和岗位职责履行问题不能得到很好的保障；其次主办业务方面的客户在风险防控方面也没有充分的把握和衡量；与此同时，国内的汽车座椅骨架ＣＡＥ分析需要将风险评估纳入整体的管理评价中，通过增强汽车座椅骨架ＣＡＥ分析内部控制的力度，来调节汽车座椅骨架ＣＡＥ分析的工作氛围和环境，并进一步排查各方面的风险和问题，搭建更为合理有效的制度政策，科学合理的进行相关布局㊂（二）轻量化设计需要更严谨的风险调控纵观国内轻量化设计的效率管理的发展，可以明显发现国内的轻量化设计的效率建设在平台建设与组织管理方面存在明显的问题，即缺乏行之有效的沟通协调机制㊂因此汽车座椅骨架ＣＡＥ分析相关人员内部应当建立起切实可行的沟通协调机制与督察体系，相关负责人要承担起对口的汽车座椅骨架ＣＡＥ分析内部管理工作职责，切实的进行汽车座椅骨架ＣＡＥ分析长期的风险调控㊂（三）汽车座椅让生产计划安排更合理轻量化设计应当在汽车座椅制造体系研究之初结合轻量化设计的发展实际，从多方面进行全方位的考虑㊂只有选择了更恰当㊁更适合轻量化设计发展的标杆，才能够在汽车座椅制造中行之有效的执行，并且分析差距和问题所在，实现对过去的超越和对目标的实现，整体提升轻量化设计的发展水平；同时轻量化设计的发展也对效率提升有明显的作用；国内的轻量化设计的效率建设在平台建设与组织管理方面缺乏行之有效的沟通协调机制与对应的执行和督察体系，长期导致汽车座椅骨架ＣＡＥ分析的发展进度缓慢㊂（四）轻量化设计促进资源应急调配机制的建立除此之外，国内轻量化设计的效率管理建设管理的发展核心问题在于汽车座椅骨架ＣＡＥ分析的内部管理意识与资源的应急调配机制㊂因此在工业互联网的发展背景中，国内汽车座椅骨架ＣＡＥ分析可以融合更多方面的元素，开展完善的汽车座椅骨架ＣＡＥ分析人才建设制度，并通过创新人才管理体系来进一步完善资源应急调配机制的建立，同时建立健全国内大数据平台建设管理汽车座椅骨架ＣＡＥ分析的管理体系，增强对管理人员的对应安全技能培训，力争为工作开展进行顺利的资源保障㊂四㊁结语综上所述，建立改进设计的模具骨架ＣＡＥ分析技术设施是刻不容缓的，其意义也是毋庸置疑的㊂因此，应当从多个方面进行全方位的分析轻量化设计的效率问题㊂只有选择了更恰当㊁更适合轻量化设计发展的目标，才能够在汽车座椅制造中行之有效的执行；通过分析差距和问题所在，实现对过去的超越和对目标的实现，合理的安排生产计划，并逐步完善汽车座椅制造中的资源应急调配机制，整体提升轻量化设计的生产效率及发展水平㊂作者简介：樊磊磊，上海臣泰制管有限公司武汉分公司㊂５４１。

长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架轻量化设计长纤维复合材料是一种采用长纤维增强的热塑性或热固性基质的复合材料，具有重量轻、强度高、刚度高等优点。

在汽车行业中，长纤维复合材料被广泛应用于车身、座椅等部件，以实现轻量化设计和提高汽车的安全性能和乘坐舒适性。

乘用车后排座椅是车辆内部最为重要的部件之一，对于驾驶者和乘客的乘坐舒适性和安全性能有着至关重要的影响。

因此，乘用车后排座椅在设计过程中需要综合考虑结构强度、乘坐舒适性、重量和成本等因素。

在这些因素中，重量是十分重要的，因为过重的后排座椅会增加车辆的整体重量，导致燃油消耗的增加。

为了实现乘用车后排座椅的轻量化设计，可以采用长纤维复合材料来替代传统的金属骨架。

首先，根据座椅的重量和结构强度要求，选择合适的热塑性或热固性基质材料。

然后，在基质内添加长玻璃纤维增强材料，进一步提高材料的强度和刚度。

通过控制纤维长度和含量，可以调节材料的性能，实现最佳的应力分布和刚柔性的平衡。

在设计座椅骨架结构时，要考虑乘客的身体重量和身体部位所承受的力。

通过结构优化和仿真分析，可以确定骨架的拐点位置、横梁和竖柱的截面形状和尺寸等，尽可能减少材料的消耗和重量。

在制造过程中，可以采用模塑工艺，将热塑性基质和增强材料制成连续的长条，然后进行热压成型，形成骨架的各个零部件。

这种工艺具有生产效率高、成本低、产品质量好等优点。

最终，经过乘坐舒适性和强度试验验证后，该设计方案可以实现减重30%以上，强度和刚度性能优于传统的金属骨架，且可以降低生产成本和能源消耗。

同时，采用长纤维复合材料还可以使后排座椅的外观更加美观，增加车辆的科技感和时尚度。

综上所述，长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架轻量化设计具有重要意义。

通过综合考虑材料性能、结构设计和制造工艺等因素，可以实现优良的性能和成本效益，提高乘坐舒适性和安全性能，为汽车工业的可持续发展做出贡献。

除了乘用车后排座椅骨架之外，长纤维复合材料在汽车制造中还有很多应用领域。

某微车座椅骨架的轻量化拓扑构型设计张光亚;龚云云;程一明;程浦【摘要】采用基于变密度法(Solid isotropic Microstructures with Penalization,SiMP)的拓扑优化法对某车后座座椅骨架进行轻量化设计.考虑在安全固定点工况下的座椅强度与刚度性能,建立了座椅和白车身的有限元模型,并通过试验验证了模型的合理性.将该有限元模型转化为基于SiMP的体积约束下柔度最小化模型,通过optiStruct软件进行拓扑优化,并考虑了高强度材料的应用,最终使座椅总质量降低了2.585 kg,得到一种符合强度、刚度和轻量化要求的座椅骨架构型设计方案.【期刊名称】《汽车工程学报》【年(卷),期】2018(008)006【总页数】8页(P423-430)【关键词】座椅骨架;轻量化;拓扑优化;变密度法【作者】张光亚;龚云云;程一明;程浦【作者单位】上汽通用五菱汽车股份有限公司,广西,柳州 545007;广西艾盛创制科技有限公司,广西,柳州 545616;广西艾盛创制科技有限公司,广西,柳州 545616;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙 410082【正文语种】中文【中图分类】U463.83座椅是汽车驾驶室的重要组成部件，同时也是主要的安全部件[1]。

它需要在发生交通事故时，对内部乘员进行保护，使伤害降低至最低程度。

因此，在传统的座椅设计思路中往往会选取较大的安全系数，导致座椅设计方案中存在较多的过设计。

这种传统的设计思路已无法适应当前的轻量化趋势。

事实上，如果汽车内外饰件具有相对良好的受力条件和工况，其轻量化的实现也会相对容易许多。

目前，汽车内外饰件的轻量化已受到广大汽车制造商的关注[2]。

国内的座椅轻量化研究起步较晚，20世纪90年代，才陆续有一些学者和研究机构开始了汽车座椅骨架轻量化的研究，但这些研究多限于对座椅骨架的一些过设计结构进行改进和优化，并未对整个座椅骨架进行轻量化设计[3-4]。

冲压排样设计工艺主要由冲孔、切边、成型、翻边、分割等多道工序组成，为确保零件的精度能够符合检具的要求，需对汽车座椅配件进行前期工艺设计规划,运用CAE分析来模拟零件的动态走料趋势，可以提前发现零件是否存在起皱、变薄、开裂等缺陷现象发生.合理的进行前期工艺设计规划与CAE分析即可提高零件的质量又可以减少后期制作时因工艺缺陷造成的成本浪费。

1 CAE技术概述随着人们对CAE技术研究的不断深入，该项技术变得更加成熟，其已经成为了支持工业和制造行业的一项信息化主导技术，其在提高产品设计质量、制造质量，降低产品开发成本，缩短产品设计与开发制造周期等多个方面都发挥着关键作用，成为了产品创新期间的一项支撑技术。

CAE技术出现已经有数十年之久，但是，从现阶段的情况来看，针对CAE软件提供商，以及CAE技术用户企业来说，仍然面临着一些问题需要解决，最常见的问题就是的软件应用复杂，实践经验不足等，这都会对CAE技术的应用造成一定不良影响。

从目前情况来看CAE技术主要包括了内容有以下几个方面：(1)有限元法的核心对象是零件级，主要包括强度和刚度情况的分析，以及热场和分线性的计算等多项内容。

(2)仿真技术主要包括的内容有流场、虚拟样机以及电磁场计算等，每一项内容都会对技术的应用造成影响，因此，相关工作人员要提高对各项内容的重视。

(3)优化设计的关键对象是结构参数。

2 CAE技术应用的优势（1）增加设计功能，通过对设计的应用，完成相应计算，对计算结果进行应用，保证最终设计的产品能够满足应用需求，降低设计成本。

（2）缩短设计周期，以及循环周期，能够快速完成设计工作。

（3）CAE分析能够充当“虚拟机”的作用，这取代了传统设计作业开展期间，资源量搭的物理样机检验设计过程，虚拟样机在应用期间起到的核心作用就是对产品的整个生命周期进行预测，确保设计的产品在整个生周期的安全性和可靠性[3]。

（4）通过优化设计，可以精准的找出设计产品的最佳方案，通过合理的设计，能够减少各种材料的消耗量，同时，也可以也能够降低的制造成本。