汽车座椅轻量化结构设计与优化

汽车座椅轻量化结构设计与优化摘要：随着汽车总保有量的不断增加，汽车与能源、环保之间的矛盾己成为制约汽车产业可持续发展的突出问题。

面对低碳时代的到来和节能减排的巨大压力，汽车轻量化是解决这一问题最有效、最现实的途径之一。

从而推动了新材料新工艺在汽车工业中的应用和发展。

其中，尤为引人注目的是铝合金在汽车轻量化中的应用和发展。

本文从座椅骨架材质轻量化、结构优化设计及成形工艺分析等方面入手对汽车座椅进行了轻量化设计研究。

关键词：汽车座椅；轻型化；结构设计；铝合金；低压铸造随着汽车总保有量和新增量的不断增加，汽车耗油量及汽车二氧化碳、有害气体及颗粒的排放量也在快速增加。

在能源日益紧缺，环境同益恶化的今天，这种矛盾己成为制约汽车产业可持续发展的突出问题。

面对能源危机和低碳环保的巨大压力，解决这一矛盾最有效、最现实的方法之一，也是当今世界汽车工业发展的潮流，就是实现汽车的轻量化。

1.汽车轻量化概念汽车轻量化（Lightweight of Automobile）就是必须在保证汽车使用性能，如强度、刚度和安全性的前提下，降低汽车的重量，从而提高汽车的动力性能，燃油经济性，并且降低废气污染。

汽车轻量化并不只是简单地降低汽车重量，还包含了许多新理论、新材料、新工艺。

根据美国铝协会研究，若汽车整车重量降低10%，其燃油效率可提高6%～8%；汽车整车重量每减少100kg，其百公里油耗可降低O.3～0.6L，二氧化碳排放量可减少约59/km。

总的来说，实现汽车轻量化主要有2种途径：一是利用有限元方法，拓扑优化方法改进汽车整车结构及零部件结构，实现结构件材料分布最优化；二是利用各种轻量化材料，包括高强度钢板材料和轻质材料。

结构轻量化设计就是利用有限元法和现代优化设计方法进行结构分析和结构优化，以减轻汽车车身、各零部件如发动机、承载件件和内饰件的重量。

结构优化设计即在保证产品达到某些性能目标（如强度、刚度）并满足一定约束条件的前提下，改变某些设计变量，使结构的重量最轻，这不但节省了材料，也便于运输和安装。

优化设计以数学规划为理论基础，将设计问题的物理模型转换成数学模型，运用最优化数学理论，以计算机和商业软件为优化工具，在充分考虑多种约束的前提下满足设计目标的最佳设计方案。

有限元法在结构设计中被广泛使用，它可以使任何复杂的工程问题，简化为有限元模型进行分析研究。

目前广泛使用的结构优化工具Altair Optistruct，以有限元法为基础，提供拓扑优化、尺寸优化、形貌优化、自由形状优化等多种优化方法，可以对汽车车架结构及各零部件结构进行分析和优化。

在有效满足设计功能及外型要求的前提下，先经过概念设计在到详细设计，寻找设计区域最优的材料分布，使得结构最轻，性能最佳，尽可能使零部件中空化、薄壁化、小型化、复合化，大大提高设计效率。

汽车轻量化材料主要有两大类：一类是具有较低密度的轻质材料，诸如铝合金、镁合金、钛合金、塑料和复合材料等；另一类是高强度材料，如高强度钢板，超高强度钢板等。

目前，汽车轻量化主要以汽车轻量化材料为主要实现途径。

汽车制造工业中已大量应用的轻量化材料主要有高强度钢、铝合金、镁合金和塑料、碳纤维、树脂基复合材料等。

汽车轻量化材料的研发和选用需考虑的因素有：一是具有较小的密度、较高强度的轻质材料，像铝合金、镁合金、塑料类材料、各种复合材料；二是在同样密度和弹性模量下而比强度高、工艺性能好的材料，这种材料做成的结构件可以采用较小的截面抵抗较大的载荷；三是基于新型材料成形技术的轻量化结构材料，如金属基复合材料板激光焊接板材、连续挤压变截面铝合金型材、适合各种精密铸造成形的铸造铝合金材料等。

方案一和二是通过更换汽车零部件材料种类来实现轻量化目的，方案三是通过采用新型材料结合先进成形技术来达到轻量化。

在各轻质材料中，铝合金材料在汽车上的应用尤为显著，一些非金属材料的比例也逐步增加。

2.汽车座椅轻量化设计方法及发展趋势汽车座椅结构优化的目的，首先是保证甚至提高座椅的静态性能及动态性能，其次是减轻自重，降低制造成本，提高经济性。

座椅的轻量化设计，主要是座椅骨架的轻量化，实现座椅轻量化的途径跟上述汽车轻量化一致。

一是通过使用轻质材料，二是利用有限元对骨架进行结构优化设计，三是通过采用新的制造工艺来达到轻量化的目的。

实际工程中，一般会综合运用两种或两种以上手段相互结合的方法。

2.1. 轧制型材钢管座椅骨架用轧制钢管座椅骨架代替冲压钢板骨架是目前大部分国产客车座椅轻量化设计的主要手段，这种轧制钢管材质一般为Q235钢，具有良好的强度和刚度，而且座椅结构简单、生产工艺简单、模具成本低、需要的压力机吨位小，更具经济性，所以轧制钢管座椅开始大量应用在客车、卡车和低档轿车上。

但是这种座椅相比轻合金座椅，重量较大，对于一般客车（50.60座），座椅重量占整车相当大比例，不符合轻量化发展之潮流。

2.2. 铝合金座椅骨架采用铝合金代替原Q235钢设计制造汽车座椅骨架，这是采用轻质材料实现汽车座椅轻量化的一个代表，它的优势主要体现在：2.2.1.大大减轻了座椅的重量，使大型客车整车质量下降，提高燃油经济性，且铝合金座椅减震效果好，提高了乘坐舒适性。

2.2.2.采用铸造铝合金整体式零部件，能够有效减少零件的数量，明显减少了零件焊点数量，焊接应力减小，座椅的总成静强度提高。

另外装配工序减少，降低了制造成本。

2.2.3.采用低压铸造成形工艺，能有效提高材料利用率。

另外，压力下充型平稳可控，铸件组织致密，具有良好的综合机械性能。

低压铸造件还可热处理强化，进一步提高铸件的强度。

汽车座椅轻量化设计，作为汽车轻量化的一部分，在国际汽车行业内的发展讯速，但是我国在这一方面起步较晚，技术还不成熟，所以利用有限元等先进手段进行镁铝合金在汽车座椅零部件上的应用研究，具有广阔的前景和极高的工程应用价值。

3.低压铸造成形在汽车轻量化中的应用3.1.低压铸造的优越性低压铸造具有充型能力强、平稳可控，生产效率高，经济性好等诸多优点而被广泛用于汽车用铝合金铸件生产。

此外，低压铸造件还可以热处理强化，因此该方法主要应用于中、大型复杂薄壁、优质铸造铝合金件上。

低压铸造的优越性概括起来主要有：3.1.1.充型能力强。

低压铸造中压力作用提高了合金液的流动性，有利于生产复杂薄壁铸件。

3.1.2.充型平稳可控。

根据铸件的不同结构和铸型的不同材料来确定不同的加压规范。

这种加压可控性减少或避免了合金液在型腔内的冲击、飞溅现象，从而减少了氧化夹渣的形成，避免或减少铸件的缺陷，提高了铸件质量，合格率一般可达95%左右。

3.1.3.补缩能力强。

铸件在压力作用下结晶和凝固，补缩能力强，组织致密，综合机械性能高。

3.1.4.金属利用率高，工艺出品率可达80～95%。

低压铸造可以不用或少用冒口且浇注系统简单，尚未凝固的金属液可流回坩埚中，减少金属的损耗。

3.1.5.低压铸造基本上可用于各种铸造合金，对合金材料的适用范围广，有色合金和铸铁、铸钢均可使用此工艺。

3.1.6.易于实现自动化、机械化，较压铸投资小。

3.2. 大型铝合金薄壁件低压铸造发展趋势铝合金具有前述的一系列优点，被称为汽车轻量化最理想的材料。

低压铸造具有充型能力强、充型平稳可控、结晶凝固时补缩能力强，铸件质量好等优点，是一种比较先进的反重力铸造工艺，越来越被各国所重视，逐步扩大该工艺在汽车用大型铝合金结构件上的应用规模。

低压铸造自20世纪20年代发明后，已得到较大发展。

欧美发达国家早在上世纪80年代就利用低压铸造生产出了大型铝合金铸件，已广泛应用于航空、军工、电工电子、汽车等领域。

俄罗斯GNPP Splav公司开发的局部水冷低压铸造法成功生产出一种铝合金防空导弹壳体；美国采用低压铸造法生产巡航导弹舱体；我国也有不少企业利用低压铸造生产一些大型军用，民用产品。

大型复杂铝合金铸件的成形问题是主要问题，而低压铸造的特性恰恰能很好的解决这一问题，因此低压铸造是大型薄壁件最适宜的生产方法。

大型复杂铝合金铸件的砂型低压铸造技术及适宜设备正在发展之中，有不少问题值得研究，例如，目前电磁泵充型的低压铸造机只用于较小的铸件，将来能否用于大型件；气压充型液面加压系统控制水平如何进一步提高，以获得更理想的充型速度：低压铸造条件下大型件的冒口补缩能力及保压压力对铸件补缩特征的影响；低压铸造用铸型涂料的基本特征对铸件质量影响等。

3.3. 低压铸造数值模拟低压铸造同样会产生许多铸造缺陷，铸件质量难以保证，这些缺陷的产生与低压铸造工艺密切相关。

传统低压铸造工艺的制定、改进及优化需反复试验、分析才能最终确定，从而导致整个产品的开发周期过长，开发成本较高，严重制约了低压铸造技术的发展。

近年随着计算机硬件及软件技术的发展，计算机模拟仿真也进入了铸造行业，各种商业仿真软件大量出现，如Procast，Magmasoft，Flow一3D，Anycasting，华铸CAE等。

应用数值模拟软件对低压铸造充型凝固过程进行数值模拟，可通过计算机屏幕直接观察金属充型和凝固过程，分析整个低压铸造过程中各因素（如加压速率、升液管直径、背压、升液速度和模温）对铸件成形质量的影响，从而有助于及早发现铸件中可能存在的缺陷，可对工艺进一步修改和优化提供理论依据。

这样便减少了试制次数，缩短了开发周期，节约开发成本。

低压铸造数值模拟技术尚不完善，目前正在深入研究的方向一是考虑多种边界条件和完善热物性参数，使得充型过程数值模拟更能接近于实际充型情况，同时非线性加压工艺的研究也是一大热点。

二是研究压力条件下的缩松判据，使得低压铸造数值模拟更加准确，闻星火等学者已在此方面做出很大贡献。

三是研究大型铸件应力场的数值模拟。

主要侧重于铸件应力、变形的影响因素以及工艺参数对模具热疲劳、寿命的影响等问题。

国内外很多研究人员直接使用大型通用分析软件ANSYS，NASTRAN，ABAQUS，MARC，PANTRAN等进行铸造应力场的模拟仿真。

4. 结束语汽车的轻量化就是在保证整车强度和刚度的前提下，通过结构的轻量化设计及轻量化材料的使用，达到减轻整车质量的目的。

此举可以有效降低二氧化碳等有害气体及颗粒的排放，提高燃油经济性，因此，汽车轻量化是现代汽车设计的主流。

总体来说，轻量化的发展主要有3个方向：一是利用CAE有限元分析优化整车骨架及各零部件结构，二是采用各类轻量化材料及成型方法。

目前普遍应用的轻量化材料一类是高强度钢板，另一类就是轻金属材料如镁、铝合金，塑料及碳纤维材料等；新的成形方法主要有液压成形、激光拼焊板成形，及针对金属材料开发的半固态成形、各种压力成形、粉末冶金等。

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