摘 要

目前世界汽车的保有量不断增加，汽车工业的发展与能源紧缺之间的矛盾越来越激烈。随着环境污染和能源危机的压力愈发紧迫，汽车轻量化是解决这个世界性问题的最有效、最直接的方法。而在汽车轻量化的几个方向中，轻型材料在汽车中的应用和发展是尤为重要的。

本文将对一款中型客车的座椅骨架进行改进，针对座椅骨架的轻量化的方法进行了研究。设计了镁合金材料的新型座椅骨架的结构，并进行了有限元仿真分析以说明采取该设计代替传统圆钢管式设计的可行性，并在分析结果的基础上进行了拓扑优化，对其结构进行进一步的优化设计，使新型镁合金座椅骨架的总重量进一步下降。其内容主要如下：

首先在阅读大量国内外资料以及调研的情况下，介绍了汽车轻量化以及实现的主要途径，国内外的发展现状以及趋势。然后选择一款圆钢管式材质的座椅骨架进行改进并建立新型镁合金座椅骨架的模型。

其次选择ANSYS作为有限元分析软件对镁合金座椅骨架进行静强度分析与模态分析。通过座椅骨架的应力云图和位移云图来对其强度和刚度进行校核，并且通过有限元方法分析其振动特性。通过以上分析掌握建立汽车座椅骨架的有限元模型并分析座椅骨架的静强度以及模态的一般方法。

最后结合有限元分析的结果，对座椅靠背骨架通过拓扑优化的手段进行了进一步的结构优化。优化后的靠背在性能上更好，而且重量进一步减轻。最后的结果显示设计的新型镁合金座椅骨架对比原钢制座椅骨架减轻了34.6%，且其静强度更高。

关键词：轻量化；镁合金；汽车座椅；有限元

Abstract

At present, the number of cars in the world continues to increase, and the contradiction between the development of the auto industry and the shortage of energy is increasingly fierce. Faced with the enormous pressure of energy conservation and emission reduction, vehicle weight reduction is one of the most effective and direct ways to solve this problem. Of particular importance is the application and development of lightweight materials in automobiles.

This article starts with the lightweight of the car seat skeleton and studies the weight reduction of the car seat skeleton. The structural design of the new magnesium alloy seat frame was carried out, and the finite element simulation analysis was performed to illustrate the feasibility of adopting this material instead of the traditional steel material. Based on the analysis results, the structural optimization design was carried out to make the new magnesium alloy. The total weight of the seat frame is further reduced. Its main content is as follows:

First, under the circumstances of reading a large amount of domestic and foreign data and research, the paper introduced the main ways of car lightweighting and implementation, and the development status and trends at home and abroad. Then choose a round steel pipe seat skeleton to improve and establish a new model of magnesium alloy seat frame.

Secondly, ANSYS was selected as the seat static strength simulation analysis software to master the general method of establishing the finite element model of the seat skeleton and analyzing the static strength and mode of the seat.

Finally, combined with the results of finite element analysis, the topology optimization of the seat back skeleton was performed. The optimized backrest is better in performance and the weight is further reduced. The results show that the magnesium alloy seat frame is 34.6% lighter than the original steel seat frame and has higher static strength.

Keywords: lightweight; magnesium alloy; car seat; finite element

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究的目的与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 设计的基本内容与目标 2

1.4 拟采用的技术方案与措施 2

1.5本章小结 2

第2章 设计材料的选取 4

2.1 轻量化材料在汽车上的应用现状 4

2.2镁合金的特点 4

2.3镁合金用于座椅骨架的国内外应用现状及前景 4

2.4 本章小结 5

第3章 座椅骨架结构设计 6

3.1初步确定座椅骨架结构设计方案 6

3.2靠背圆钢管强度校核分析 7

3.3镁合金座椅骨架的设计方案 8

3.4靠背的结构设计 8

3.5 边板的结构设计 10

3.6椅架的结构设计 11

3.7脚撑的结构设计 12

3.8装配过程 13

3.9本章小结 15

第4章 汽车座椅骨架有限元分析 16

4.1座椅骨架的有限元分析 16

4.2座椅结构有限元模型的建立 17

4.2.1几何模型的建立 17

4.3座椅总成静强度分析 18

4.4 座椅总成模态分析 19

4.5 脚撑的静强度分析 22

4.6 镁合金座椅靠背结构优化 24

4.6.1 拓扑优化有限元模型的建立 24

4.6.2 优化结构设计 26

4.7 本章小结 28

第5章 总结与展望 29

5.1研究内容总结 29

5.2 今后工作展望 29

参考文献 30

致谢 31

第1章 绪论

1.1研究的目的与意义

进入二十一世纪以来，我国的汽车保有量不断增加，随之而来的二氧化碳、有害气体以及颗粒的排放量也不断增加，使得雾霾天气越来越多的出现在我们的生活中。再加上如今能源紧缺的巨大压力，如何使汽车降耗减排变得越来越重要。这已经不仅仅是我国面临的一个严峻的问题，更是一个全球范围亟待解决的问题。目前来看，解决这一问题的最有效最实际的方法之一就是通过轻量化实现汽车的整体减重。

汽车轻量化指的是通过一些科学的方法和措施对汽车产品的各部分进行优化设计，在保证汽车各项综合性能和安全性指标符合要求的前提下，采用新型的材料或者优化汽车结构与形状设计，达到尽可能的降低汽车产品的重量，从而降低油耗，减少排放，而且更加环保安全的目的。通过研究得出结论，汽车所用燃料的约 60% 用于克服汽车自重做功，如果汽车的总质量能降低100 kg，每公里的燃油消耗量将减少0.4～0.8 L，二氧化碳、氮氧化物和固体颗粒物的排放量也将随之减少。而且能量利用效率提高，意味着汽车的油耗和排放将会减少，这将会有利于对环境问题的改善。同时如果汽车更加轻量化，车辆的动力性也将更好，在同样的输出功率下，汽车的总重越轻，发动机的负载也就越小。同时汽车的操控稳定性也将会有所提高。所以汽车轻量化对于降低发动机的功耗和减少汽车的使用成本、生产成本都是有利的。

目前汽车的四大系统:发动机、车身、底盘、电器系统都已经在轻量化方面做出较为显著的成果。而汽车驾驶室的内饰以及结构件都比较简单，也可以方便的实现其零部件的轻量化设计。因此近年来不少汽车生产厂商都把汽车内外饰的轻量化作为一个新的突破口和研究方向。汽车座椅作为驾驶室内体积最大的零部件，尤其是客车座椅，在客车的总重中占了比较大的一部分，自然也就成为轻量化的主要目标。如何车座椅在保证安全性、舒适性的同时，减轻其质量，降低其成本成为了广大厂商的主要研究方向。

1.2 国内外研究现状

目前国内外对汽车座椅骨架进行轻量化的技术有两类，一是结构优化和对零部件的模块化设计，二是换用轻质材料或增加轻质材料的使用比重。汽车座椅轻量化设计的结构优化包括尺寸优化和拓扑优化两个方向。而新型的轻量化材料主要包括高强度钢、铝合金、镁合金、塑料以及复合材料这几类材料在汽车座椅骨架上的运用。

拓扑优化的方法起源于美国的Michell工程师在1904年提出的桁架理论，该理论以材料的分布为优化对象，通过在均匀分布材料的设计空间中找到最佳的拓扑优化分布方案。美国的江森自控公司最早在座椅骨架方向运用拓扑优化的方法，开发出了轻量化的座椅靠背骨架，并成功在大众公司的某款车型上投入应用。与传统未经过结构优化的骨架相比，该骨架能够减重大约10%。在十几年前国内也进行了相关方面的研究，但总体来说起步较晚。如中北大学的卢建志团队通过拓扑优化的方法，对某汽车座椅进行了轻量化设计，研究表明轻量化后，座椅骨架能够减轻质量15%。吉林大学姚为民等也通过拓扑优化对某型汽车座椅进行了轻量化设计，并已经成功应用于实际生产中。但目前不管是尺寸优化还是拓扑优化方法，受限于国家和行业对座椅安全性、舒适性的要求，最终都只能是座椅质量减少10-15%，减重效果比较有限。

1.3 设计的基本内容与目标

汽车座椅的结构由座椅骨架、表面材料、填充材料以及其他塑料构件组成。对于汽车座椅整体，骨架占到整体质量的70%左右，面料占到总质量的10%左右，其他填充材料和塑料件占总质量的20%左右。由此可见，在汽车座椅的总重量中，大部分都是由座椅骨架的质量所占据，因此汽车座椅的轻量化主要内容也就是对座椅骨架的轻量化设计。本文设计的目标就是对座椅骨架进行轻量化设计，而且是在兼顾座椅的舒适性和安全性的基础上。不能为了实现座椅的轻量化过度使用低密度、低厚度的材料，牺牲了座椅的耐久性与安全性。汽车座椅参考了ECER17标准，我国在前几年也制定了座椅强度的相关国标要求，在GB15083-2006、GB11550-2009中对座椅的强度、头枕的强度进行了规范。因此座椅骨架设计时需要进行校核，使其符合上述设计标准的要求。在强度符合各项标准的情况下，采用优化设计和选择轻型材料的方法，达到将汽车座椅骨架总成减重10-15%的目标。

1.4 拟采用的技术方案与措施

首先本设计将比较各型材料的优缺点，分别阐述高强度钢、铝合金、镁合金、塑料以及复合材料的特点，综合考虑轻质、经济性与力学性能最终选取最优的座椅骨架材料。

其次在阅读大量文献以及深入调研的基础上，本文将对设计参数进行计算，首先需要初步确定镁合金座椅骨架结构的设计方案与参数，并利用现代CAD建模软件对汽车座椅进行轻量化结构设计与零部件建模和虚拟装配。

最后建立镁合金座椅骨架的有限元模型，定义其材料属性并进行约束，分析座椅骨架总成的静强度与模态。确保设计的座椅骨架在满足国家和行业对安全性、舒适性要求的标准下能够减重10-15%，然后通过拓扑优化手段对座椅骨架进行进一步的结构优化。

1.5本章小结

（1）确定了研究的目的与意义并对国内外座椅骨架轻量化的研究现状进行调研，确定设计的方案与思路。

（2）在确定了设计方案的基础上对设计进度进行初步的安排，并且初步论述了设计拟采用的方案措施以及最终拟达到的目的。

第2章 设计材料的选取

2.1 轻量化材料在汽车上的应用现状

目前实际应用于汽车的轻量化材料包括高强度钢、铝合金、镁合金以及复合材料等。先进高强度钢在欧洲生产和应用非常普遍，DP钢的强度水平从500MPa到1180MPa，相应的电镀锌也已经商业化，成熟地运用在A/B/C柱加强件、车顶横梁/纵梁、窗框、前后部顶梁、座椅导轨、座椅骨架、保险杠加强件、车门防撞梁等零件中。Mn-B系热成形钢工业产品实物水平抗拉强度已经达到了1470MPa，并且已经广泛地应用于乘用车，目前正在发展2000MPa的热成形钢。目前的限制因素有国内的供应商配套资源，包括原材料供应商、零部件供应商和模具等工艺器具供应商的能力还有待加强。

铝合金的密度小（2.7g/cm 3 左右），仅为钢的1/3，具有良好的工艺性、防腐性、减振性、可焊性以及易回收等特点，是一种非常优良的轻量化材料。典型的铝合金零件在一次减重后（传统结构件铝替钢后的减重）其减重比例可达30%～40%，二次减重（车身重量减轻后，制动系统与悬架等零部件因负载降低而设计的减重）后 则可进一步提高到50%，用作结构材料替换钢铁能够带来非常显著的减重效果。但由于成本有限，国产商用车的铝材应用范围远低于乘用车，单车的应用重量仅仅只有40kg，几乎不到整车总质量的1%。

镁合金被称为21世纪的绿色结构材料，镁合金以镁金属为基体，其中添加了锰、铝、以及少量铬、铈等元素而组成的合金。具有密度小（1.8g/cm 3左右）、减振性好、铸造流动性好等特点，在汽车上有着良好的应用前景。经过综合考虑，本设计采用镁合金AM50作为骨架的主要材料。

2.2镁合金的特点

1、镁合金的重量相当轻，其比重是铝的2/3,铁的1/4。能够有效地降低零件质量，应用在汽车上有利于节能减排。

2、镁合金具有优秀的铸造性能，其熔点比较低且流动性能好。而且比热容低，铸造时能够以较快的速度冷却。

3、良好的机加工性能，切削阻力值相对较低，一方面可以减少刀具磨损，延长刀具的使用寿命，另一方面切削速度较快，提高了生产效率。

4、镁合金的尺寸稳定性好，一般在温度小于100℃时，镁合金都拥有比较优异的尺寸稳定性。

5、可回收性，镁合金能够重复回收利用，且再生产时损耗能量仅为新构建制作时的4%。

2.3镁合金用于座椅骨架的国内外应用现状及前景

目前中国关于镁合金汽车座椅的研发相比于国外开展的相对晚些。镁合金最早应用于汽车座椅骨架的制造是德国的梅赛德斯奔驰公司所生产的SEL型敞篷车；之后福特公司也进行了镁合金汽车座椅骨架的研发，所得的座椅骨架相比于原钢制座椅骨架整体质量由原来的4kg降至了1kg；到2000年之后，由丰田与Celsius共同开发的镁合金座椅骨架的数据显示，采用镁合金制造的座椅骨架总重比原来的钢制座椅骨架能够减轻大约40%。国内目前进行的工作主要是对座椅骨架进行一些结构上的优化和改进，将镁合金座椅骨架投入实际生产的厂家如凤毛麟角。下表是镁合金AM50的详细组成成分。

表2.1 镁合金AM50化学成分

下表是试验得到的压铸镁合金AM50用于座椅靠背拉伸试样实测结果

表2.2 镁合金AM50靠背拉伸试样实测结果

2.4 本章小结

（1）阐述了目前在汽车上应用较多的轻量化材料，并分别介绍了高强度钢、铝合金、镁合金、复合材料等应用于汽车上的优缺点，在综合考虑各类材料的应用现状之后，最终选择镁合金AM50作为座椅骨架设计的主要材料。

（2）确定了压铸镁合金AM50的主要参数。

第3章 座椅骨架结构设计

对镁合金座椅骨架的结构采用CATIA软件进行设计，并将设计好的骨架结构进行CAE分析，根据CAE分析的结果分析是否能够满足标准要求并且将不能满足要求的构件进行结构的调整，使得铸件的结构能够满足性能要求。结构的设计是本次座椅轻量化设计的关键步骤。

3.1初步确定座椅骨架结构设计方案

本次的镁合金座椅骨架设计针对某小型商务客车的原座椅骨架进行分析并指出其设计上的不足，然后对该客车的座椅骨架结构进行重新设计，首先建立详细的三维几何模型，然后利用ANSYS有限元分析软件对其进行静强度和模态分析。图3.1、3.2为该型客车原座椅骨架的生产厂商提供的图片：

图3.1 原设计座椅骨架正面 图3.2 原设计座椅骨架侧面

通过查阅资料得到，该型客车的原座椅骨架采用的材料是Q235A碳素钢，首先其材料比重大，不符合目前轻量化的设计理念。而且原座椅骨架是通过很多零件焊接制造的，一方面制造工艺复杂，需要的工人多，成本高，另一方面由于产品的零部件多，因此需要各种不同的模具，也提高了成本；而且由于生产过程中大量采用了焊接工艺导致了产品表面的焊缝较多，不利于美观且容易生锈，工人的工作环境也比较恶劣。大量地采用了钢铁材料也给材料的回收利用带来了难度，不符合资源再生的目的。

原设计主要的结构件包括圆钢管靠背、左右边板、左右拉臂等。

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