静动态约束下汽车座椅侧板拓扑与形貌优化方法技术

本发明专利技术公开一种静动态约束下汽车座椅侧板拓扑与形貌优化方法，应用于汽车座椅设计领域，针对现有技术都仅针对设计对象的静态性能(即静态载荷下的强度、刚度、应变能等)进行优化，没有考虑汽车座椅的动态性能(模态性能等)的问题，本发明专利技术将汽车座椅的整体静态与动态性能作为约束条件，通过优化几个重要零件实现汽车座椅整体性能的针对性提升，同时将多种约束条件与拓扑和形貌两种优化算法共同进行优化分析，有效节省了优化设计的时间。

【技术实现步骤摘要】
静动态约束下汽车座椅侧板拓扑与形貌优化方法
本专利技术属于汽车座椅设计领域，特别涉及一种汽车座椅侧板优化技术。
技术介绍
近年来，中国汽车行业得到快速发展，据统计，在2019年，中国汽车产销分别完成2572.1万辆和2576.9万辆，继续位居世界第一。汽车在给我们带来出行方便的同时，也带来了环境污染、能源大量消耗等问题，为此，汽车厂家也想了很多对策，其中汽车轻量化便是最重要的措施之一。研究表明，汽车质量每降低10％，其油耗可降低3％-7％。随着轻量化要求的提升，内饰件的轻量化开始越来越受到人们的关注，作为汽车内饰件中最大的零部件之一的汽车座椅，如何在满足舒适性、安全性和美观性的前提下，实现座椅的轻量化，也成为研究的重点。汽车座椅主要包含座椅骨架，发泡、面套和其他附件，其中骨架占总重的50％一65％,因此降低座椅骨架的质量对于整椅的减重工作显得尤为重要。汽车座椅轻量化大致有三种方法：采用低密度材料，采用高强度钢并降低钣金件厚度，使用拓扑优化、形状优化、形貌优化、尺寸优化等优化方法改进汽车座椅钣金件和管件结构。拓扑优化的材料模式采用密度法(SIMP方法)，即将有限元模型设计空间的每个单元的“单元密度(Density)”作为设计变量。该单元密度同结构的材料参数有关(单元密度与材料弹性模量E之间具有某种函数关系)，0～1之间取连续值，优化求解后单元密度为1(或靠近1)表示该单元位置处的材料很重要，需要保留；单元密度为0(或靠近0)表示该单元位置处的材料不重要，可以去除，从而达到材料的高效率利用，实现轻量化设计。在形貌优化设计方法(TopographyOptimization)中，设计空间由大量节点波动向量组成，这些节点波动向量按照一定的组合方式并在一定的约束条件下优化得到最优的压延筋分布形态和尺寸。形貌优化技术广泛应用于提高各种冲压板件的性能，如减少变形，提高模态频率，减少振动等。相对于传统的凭借经验的结构设计，拓扑优化和形貌优化基于成熟的结构优化理论和精确的有限元计算，其设计方法更加可靠且易于得到最优设计。因此，采用拓扑优化方法和形貌优化方法的综合来实现汽车座椅侧板材料分布设计和压延筋设计。目前，对汽车座椅的优化设计面临以下困难：1.在实际使用中，汽车座椅会面临各种工况，对应到优化设计中即为多种动态与静态约束，要求优化方法能够综合多种边界条件进行优化设计。2.相关行业标准要求考察汽车座椅整体的动态与静态性能，单独对零部件进行优化设计难以满足汽车座椅的多种整体性能的优化需求。目前，对汽车零部件的优化方法进行了大量的研究，提出了很多方法。专利“CN104166775A汽车座椅骨架的构件分布方法”提出了通过拓扑优化方法改进汽车座椅骨架管材结构件分布，提高汽车座椅的静态性能；专利“CN107315850A一种车身结构拓扑设计方法”基于车身弯曲和扭转两个工况，进行车身结构拓扑优化，在保证车身刚度的前提下使车身的体积最小化；文献“刘宇.某汽车后排座椅有限元分析与优化设计[D].沈阳建筑大学,2019.”通过对汽车后排座椅中心支架的拓扑优化提高了中心支架的静强度；文献“季学荣,丁晓红.基于拓扑和形貌优化的汽车发动机罩板设计[J].机械设计与研究,2011,27(01):35-38.”基于拓扑优化和形貌优化方法，在轻量化设计的同时使发动机罩板自身结构的力学性能得到提高。以上方法都仅针对设计对象的静态性能(即静态载荷下的强度、刚度、应变能等)进行优化，没有考虑汽车座椅的动态性能(模态性能等)，且仅进行拓扑优化或者在拓扑优化的基础上进行形貌优化，而对发动机罩板单个零部件的拓扑和形貌优化方法也难以直接应用到具有复杂装配关系的汽车座椅上。
技术实现思路
为了解决现有的汽车座椅优化方法存在的上述缺点，本专利技术提出了一种静动态约束下汽车座椅侧板拓扑与形貌优化方法。本专利技术采用的技术方案是：一种静动态约束下汽车座椅侧板拓扑与形貌优化方法，具体包括如下步骤：S1.根据汽车座椅CAD模型和动态与静态工况的相应边界条件建立有限元分析模型；S2.通过数值计算得到汽车座椅的模态以及刚度结果，在汽车座椅侧板中确定设计空间，选择拓扑和形貌优化算法，将汽车座椅的一阶模态频率和刚度作为约束条件，设置合适的优化参数，建立优化设计的数学模型；最后提交求解器进行优化计算，得到优化结果；S3.通过对导出优化结果进行调整，得到拓扑与形貌优化后的汽车座椅侧板CAD模型。步骤S2所述优化设计的数学模型为：Minf(x1，x2)S.t.g(x1,x2)-g*≤0h(x1,x2)-h*≤00<x1≤1x2L≤x2≤x2U式中，f为体积分数，g和g*分别为一阶模态频率约束函数及其上限，h和h*分别为刚度约束函数及其上限，x1为单元密度，x2为压延筋的形状变量，x2L和x2U为压延筋的参数约束。步骤S2包括定义拓扑与形貌设计变量，具体为：定义拓扑优化设计变量与形貌优化设计变量。所述定义拓扑优化的设计变量，具体为：最小材料厚度为0mm，；最小成员尺寸为10mm；增添分组模式约束，建立1平面对称布置使左右侧板的优化结果对称分布。所述定义形貌优化设计变量，具体为：加强筋最小宽度为6mm，拔模角为45°，最大起筋高度为6mm，节点移动上限系数＝1，节点移动下限系数＝0，节点移动上限为UB*HGT，节点移动下限为LB*HGT；增添分组模式约束，建立1平面对称布置使左右侧板的优化结果对称分布。步骤S2还包括：建立优化响应，具体为：建立频率响应，定义模态阶次为1阶；建立静态位移响应，选择头枕杆顶端的加载点为响应点；建立体积分数响应。所述体积分数表达式为：体积分数＝(当前迭代步总体积-初始非设计区域体积)/初始设计区域体积。步骤S2中一阶模态频率约束下限为30Hz。步骤S2中刚度约束用于约束静态位移响应，其上限为31mm。本专利技术的有益效果：本专利技术将汽车座椅的整体静态与动态性能作为约束条件，通过优化几个重要零件(根据原始模型在各工况下的仿真结果确定，具体标准为：应力、变形等参数较大，以及零件本身尺寸较大，有足够的空间进行拓扑与形貌优化)实现汽车座椅整体性能的针对性提升，解决了汽车座椅设计过程中依赖设计人员经验的问题；同时将多种约束条件与拓扑和形貌两种优化算法共同进行优化分析，有效节省了优化设计的时间。附图说明图1为本专利技术的方案流程图；图2为本专利技术实施例提供的建立有限元分析模型的流程图；图3为本专利技术实施例提供的求解器进行优化计算的过程框图；图4为本专利技术实施例提供的定义设计变量的流程图。具体实施方式为便于本领域技术人员理解本专利技术的
技术实现思路
，下面结合附图对本
技术实现思路
进一步阐释。本专利技术的静动态约束下汽车座椅侧板拓扑与形貌优化方法首先根据汽车座椅CAD模型和动态与静态工况的相应边界条件建立有限元分析模型，而后进行初步数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种静动态约束下汽车座椅侧板拓扑与形貌优化方法，其特征在于，具体包括如下步骤：/nS1.根据汽车座椅CAD模型和动态与静态工况的相应边界条件建立有限元分析模型；/nS2.通过数值计算得到汽车座椅的模态以及刚度结果，在汽车座椅侧板中确定设计空间，选择拓扑和形貌优化算法，将汽车座椅的一阶模态频率和刚度作为约束条件，设置优化参数，建立优化设计的数学模型；最后提交求解器进行优化计算，得到优化结果；/nS3.通过对导出优化结果进行调整，得到拓扑与形貌优化后的汽车座椅侧板CAD模型。/n

【技术特征摘要】
1.一种静动态约束下汽车座椅侧板拓扑与形貌优化方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1.根据汽车座椅CAD模型和动态与静态工况的相应边界条件建立有限元分析模型；
S2.通过数值计算得到汽车座椅的模态以及刚度结果，在汽车座椅侧板中确定设计空间，选择拓扑和形貌优化算法，将汽车座椅的一阶模态频率和刚度作为约束条件，设置优化参数，建立优化设计的数学模型；最后提交求解器进行优化计算，得到优化结果；
S3.通过对导出优化结果进行调整，得到拓扑与形貌优化后的汽车座椅侧板CAD模型。


2.根据权利要求1所述的一种静动态约束下汽车座椅侧板拓扑与形貌优化方法，其特征在于，步骤S2所述优化设计的数学模型为：
Minf(x1，x2)
S.t.g(x1,x2)-g*≤0
h(x1,x2)-h*≤0
0<x1≤1
x2L≤x2≤x2U
式中，f为体积分数，g和g*分别为一阶模态频率约束函数及其上限，h和h*分别为刚度约束函数及其上限，x1为单元密度，x2为压延筋的形状变量，x2L和x2U为压延筋的参数约束。


3.根据权利要求2所述的一种静动态约束下汽车座椅侧板拓扑与形貌优化方法，其特征在于，步骤S2包括定义拓扑与形貌设计变量，具体为：定义拓扑优化设计变量与形貌优化设计变量。


4.根据权利要求3所述的一种静动态约束下汽车座椅侧板拓扑与形貌优化方法，其特征在于，所述定义...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙靖，楼灏，孙佳宁，郑洪，王复增，郭奕成，方勇，张启伦，李军波，任维泽，刘翰林，巫燕，杜东海，龙鹰，岳广源，杜平安，
申请(专利权)人：广西双英集团股份有限公司，电子科技大学，广西成电智能制造产业技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：广西;45