理論計算在座椅骨架設計上的應用

霍成鵬 武雷 貝擁 黃海峰

摘 要：文章針對三人座椅強度計算分析，通過計算截面系數，改變傳統(tǒng)的設計形式，調整座椅下橫梁的結構，選擇長方形實心體、圓形實心體、圓管和方管分別計算Iz（截面慣性矩）、Wz（截面抵抗矩）數值進行比較，實現座椅設計優(yōu)化。

關鍵詞：汽車;座椅;骨架;設計

Abstract： Targeting at triple seat strength computational analysis， we changed the traditional design forms and adjusted the lower beam structure through the section factor computation. The seat design was optimized by selecting rectangular solid， round solid， round tube and squared tube and by comparing the sectional inertia moment （Iz） and sectional resistance moment （Wz）.

前言

目前，強度計算在整個座椅行業(yè)中最為重要，在法規(guī)當中必須執(zhí)行，座椅強度直接影響了乘客的安全，這也對座椅設計提出了更多更嚴格的要求，在整個開發(fā)過程中，工程師首先要考慮法規(guī)強度要求，其次需要考慮座椅的成本和重量以及整椅的開發(fā)周期[1]。

1 座椅骨架

本文針對三人座椅的設計，充分利用理論分析，在設計初期，根據不同分析的結果選擇設計方案，節(jié)省開發(fā)周期，保證座椅強度，提高開發(fā)效率。

目前在設計座椅骨架階段大多是憑借經驗和平臺化去實現座椅骨架設計[2]，遇到新問題時會借助FEA計算座椅強度是否能滿足要求，經過長時間的計算會增加設計時間且效率低，不能有效找出最佳設計方案。本文通過理論公式計算出最佳設計方案的理論數值，利用FEA分析理論數值中的最優(yōu)方案，針對結果分析得出最佳選擇，保證座椅強度，縮短座椅骨架設計周期，提高效率[3，4]。

截面系數是用于描述零件截面形狀和尺寸對零件受力、受彎、受扭等影響的物理量，通常在橫截面上離中性軸最遠的各點處，彎曲正應力最大，抗彎截面系數其值為：

由此公式1可見，抗彎界面系數WZ綜合反映了橫截面的形狀與尺寸對彎曲正應力的影響。

1.1 座椅骨架設計

座椅骨架設計需要滿足法規(guī)的要求，其中強度抗彎占主要工況。因此我們在設計的過程中，通過主要受力部件的理論計算分析。

式中，IZ截面慣性矩;WZ為截面抵抗拒;圓截面d為直徑;矩形截面b為寬;h為高;空心圓截面σ=d/D;d為內環(huán)直徑;D為外環(huán)直徑;空心矩形截面b為寬;h為高;b0為寬;h0為高。

2 三人座椅骨架設計

針對座椅骨架的設計，本文采用大型SUV三人座椅骨架，骨架采用性能較優(yōu)的沖壓鈑和框管結合，如圖1所示：

2.1 截面系數計算

采用汽車三人座椅骨架，通過分析座椅后下橫梁的截面系數，設計8種方案進行理論計算，利用公式根據不同形狀的截面系數公式計算出不同的理論數值，如表1所示：

座椅需要滿足強度的前提下盡可能的使座椅低成本、輕量化，因此選擇重量較輕的設計也是必要的。通過理論計算對比8種不同形狀及類型的截面系數，綜合考慮座椅強度、重量以及空間等因素，對比結果得出方案1和方案2在理論計算上是最優(yōu)化的方案，因此選用這兩種方案進行FEA強度計算進行優(yōu)化[5]。

通過對方案1和方案2進行座椅FEA計算，根據GB14167-2013的試驗標準，座椅必須要滿足對應的法規(guī)標準，根據相關計算，圖1中座椅下橫梁是需要承受更大的載荷，主要是抵御抗彎，本次通過計算最重要的座椅下承載橫梁，從而優(yōu)化設計，達到最優(yōu)的狀態(tài)。

2.2 座椅模型搭建

利用FEA分析軟件，進行模型搭建，建議加載模型如圖2所示。

座椅在上人體模塊加載（16200N+24倍座椅重量），在下人體模塊加載（16200N+24倍座椅重量），座椅加載如圖2所示：

3 計算結果分析

經過分析，計算結果為采用兩種方案均能滿足安全帶固定點試驗，對比兩種方案如圖3中標識處為安全帶插鎖位置，此處為主要受力點，通過對該點的比較分析，在塑性變形和位移兩方面，來判斷哪種方案更優(yōu)。通過圖中的應力變化，圓管方案在后橫梁強度上優(yōu)于方管方案。

由于安全帶插鎖固定在座椅后橫梁上，因此后下橫梁受力較大如圖4所示，但是根據計算結果可見均可滿足座椅安全帶固定點的法規(guī)要求。

圖5中位移分析，方管方案位移量區(qū)域比較大，整個部件的位移量均大于60mm，最小處也達到40mm以上，圓管方案位移量較小，只有少量局部在52mm，整體在40mm以上，根據結果所得位移量對比，明顯方案1性能優(yōu)于方案2。

通過FEA計算結果，如圖6所示，通過對兩種方案中位移的對比，可以看出圓管位移量比較小，如選擇此方案更能優(yōu)化座椅強度的要求，同時也符合截面系數公式理論計算結果。

座椅的塑性變形量如圖6所示，圓管和方管的變形量對比，明顯圓管的塑性變形應變量（長度相對的變化量）比較小，根據應變量的對比，方案1優(yōu)于方案2，根據GB14167中對整體骨架的要求，塑性變形應變量較小的優(yōu)先。

雖然圓管下橫梁強度優(yōu)于方管方案強度，但是兩個方案均能滿足120%法規(guī)GB14167要求的強度要求，但是在重量上方管輕于圓管。因此座椅設計采用方管男方案，如圖7所示：

5 結論

本文利用理論截面系數公式進行計算，得出結論方案1和方案2，利用FEA計算均能120%滿足GB14167的強度要求，得出以下結論：

（1）方案1方案在座椅強度上明顯優(yōu)于方案2的圓管方案。

（2）方案2對比方案1重量上輕0.618kg。

（3）綜合計算結果因此選擇方案2：38×38mm的方管做為座椅的下橫梁。

參考文獻

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