1. 引言
汽车座椅是汽车最重要的组成部分之一，其主要的功能是支撑驾驶员以及乘员的身体，减缓由于路面不平传导给人体的冲击，并衰减由此引起的震动，给驾驶员提供安全且舒适的乘坐环境，便于驾驶员对车辆进行更为精准地操作[1]-[5]。
座椅面与驾驶者的接触范围广，如果接触面设计不合理，会引发驾驶者频繁调整姿势，从而分散注意力，增加发生安全事故的风险。在多成员家庭中，一辆汽车常常需要满足不同家庭成员的舒适需求。然而，由于座椅的固定性和更换成本较高，很难确保每位成员都能获得舒适的座椅体验[6]-[9]。因此，如何通过合理、方便、低成本的设计来满足不同身体质量指数用户对同一汽车座椅的舒适需求，具有重要的现实意义[10]-[12]。
本课题针对市场上的一款座椅骨架进行了较为深入的强度特性和安全性研究，通过有限元仿真分析，我们可以在座椅设计前期对座椅骨架总成静强度、座椅靠背静强度等座椅性能进行全面分析。
2. 原有座椅结构分析
2.1. 座椅骨架的静强度分析
汽车座椅骨架的静强度，指的是座椅骨架在受到静态载荷作用时所能承受的能力。当汽车在以正常速度行驶的过程中，座椅所承受的力主要集中在座椅骨架这个部分，相比之下，座椅表面所采用的材料以及座椅内部的填充物，对于整体强度的贡献幅度相对来说较小，甚至可以忽略不计。因此，我们在提及汽车的座椅的静强度时，实际上主要指的是汽车座椅骨架的静强度。
座椅的静力学实验要求在座椅的质心处向坐垫和靠背处分别施加20倍座椅总成质量的载荷，在此实验条件下，座椅不能出现损坏。根据座椅的数据可知，骨架的大致重量约为20 kg，由此在汽车座椅上施加20倍座椅骨架的载荷，即20 × M × g = 3920 N，分别施加到汽车座椅坐垫和靠背上，分到坐垫和靠背上的力大于2770 N且小于2780 N，在本文中取最大值2780 N以方便后续计算和对比试验，求解所得出的位移原图、应变云图以及应力云图如图1所示：
Figure 1. Static analysis diagram of the model
图1. 模型的静力学分析图
根据以上分析出的数据结果可知，该座椅骨架的最大应力为267.17 MPa，出现在座椅坐垫和靠背的连接处。而该座椅骨架的材质是碳素结构钢，该材质的屈服强度为355 MPa，座椅骨架的最大应力必须小于其的屈服强度，因此满足要求。座椅的骨架最大位移是4.9376 mm，形变量较小，满足靠背骨架在总成刚度试验后，实验部位的变形不大于10 mm的要求。在我国国标GB15083-2019规定的实验要求下[13] [14]，该座椅骨架坐垫和靠背处受到的最大应力均未超过碳素结构钢的屈服强度，坐垫和靠背均为出现失效的情况，因此可以得出结论：该座椅骨架的强度是满足国家要求标准的。
2.2. 座椅骨架的疲劳寿命分析
通过疲劳分析，能够确保座椅能够舒适地提供支撑和保护乘员的安全。本次疲劳分析假设一个100 kg的成年人，持续上下车对座椅靠背骨架的疲劳磨损情况，观察其安全系数小于1的位置，此处便是在设计寿命之前发生失效的地方，并观察其寿命，看是否满足安全性能要求，且要对寿命最短的位置进行加强优化处理。S-N曲线图如下图2所示：
Figure 2. Complete S-N curve
图2. 完整的S-N曲线图
结合上图可知，座椅骨架的连接处在约第6 × 105次循环时发生断裂，满足国家对座椅靠背试验的安全标准。使用设计寿命除以此处的评估寿命可以得到对应的损伤为1666.7，与损坏图一致，再使用探针功能测试安全系数图，得到的结果也表明座椅连接处安全系数小于1。
2.3. 汽车座椅的模态分析
模态分析是一种用于探究设备机械结构动态性能的关键方法，振动模态作为弹性结构的固有且整体的特征，提供了对结构动态行为的理解。通过模态分析，我们能够精准识别结构在特定范围内的模态特性，这些频率通常是结构内外部振源最为敏感的频段。对座椅模型进行四阶的自由模态分析，结果如图3所示。
Figure 3. Modal analysis results of the fourth order of the car seat frame
图3. 汽车座椅骨架模态分析结果四阶
我国的座椅振动实验标准规定：汽车座椅实验要求的振动频率要在20到200 Hz之间，考虑到人体的减震效果，实际衰减的频率范围会相低扩展，因此固有评论可以选择高一些。第一阶的振动频率为34.89 Hz，可完美避免共振对驾驶员带来的影响，且处于20 Hz到200 Hz之间满足座椅试验要求的频率。因此在座椅的设计工作和实验工作中，应考虑此频率。
3. 座椅模型的优化
3.1. 座椅骨架的尺寸优化
参考前文的分析结果，可以轻易得知，最大应力出现在座椅骨架的靠背和坐垫之间的连接处，为267.17 MPa，如下图4所示。
Figure 4. The maximum stress point of the seat frame
图4. 座椅骨架最大受力处
为了保证座椅骨架在极限工况下的强度同时为了驾驶员的安全考虑，需防止连接处受力超过屈服强度，需要对座椅连接处的强度进行加强，加强的方式多种多样，如改变连接处材料，采用强度更高的材料，或是对连接处进行加厚处理。考虑到成本以及实现的难易程度，本次优化首先采用对座椅模型的连接处进行加厚处理，从而加强连接处的受力。原座椅骨架连为5 mm，将其进行12 mm的加厚，加厚到17 mm，以此来加强座椅连接处的强度。
3.2. 对尺寸优化后的模型进行静力学分析
对座椅连接处进行加强后，下面的工作就是要对加强后的座椅骨架再次进行有限元分析。对优化后的模型施加上文相同的边界条件，同时对模型施加相同的力，进行求解分析，得到的分析图如下图5所示。
Figure 5. Static analysis diagram after model optimization
图5. 模型优化后的静力学分析图
3.3. 对尺寸优化后的模型进行疲劳分析
静力学分析完成后，还需补充疲劳分析来与前文对比来证实优化结果的可行性：对优化后的模型采取和前文相同的工况设置，在此不做过多赘述，得出的结果图如下图6所示：
Figure 6. Life, damage, safety factor, and biaxiality indicator diagram after size optimization
图6. 尺寸优化后的寿命、损伤、安全系数、双轴性指示图
根据对尺寸优化后的模型进行疲劳分析后，通过观察寿命图的分析结果，可发现最为薄弱的座椅连接处寿命从最初的6 × 105次循环加强到了3.39 × 106次循环，是原来的五倍左右，整个骨架的安全系数也得到极大提升，原本最薄弱处的安全系数约为0.74，优化后的最低安全系数约为0.84，提升了13.5%的安全系数。
3.4. 对静力学分析和疲劳分析的总结
通过对优化后的模型进行了静力学分析和疲劳分析，根据对优化后模型的分析结果图与优化前对比可得知，座椅骨架优化后连接处出现的最大应力仅有156.69 MPa，最大位移量为2.66 mm，最大应变量为8.56 × 10−4 mm/mm。接着创建模型优化的前后结果的对比表，如表1所示。
Table 1. Data comparison table before and after model optimization
表1. 模型优化前后数据对比表
|
最大应力(MPa) |
最大位移(mm) |
应变(mm/mm) |
| 优化前 |
267.17 |
4.2 |
1.45 × 10−3 |
| 优化后 |
156.7 |
2.66 |
8.56 × 10−4 |
根据表1优化后模型的计算数据和优化前的数据对比结果可知，座椅骨架在进行模型优化后，对连接部位进行了厚度加强，最大应力虽然还是存在于连接处，但是连接部位的最大应力仅有156.7 MPa，相较于优化前，应力减少了41.3%，优化后的座椅骨架的最大位移是2.66 mm，相较于优化前的模型减少了36.7%；除此之外，连接处的寿命相较于优化前提升了465%，安全系数增加了13.5%，由此可以得出结论，对连接处进行加厚这个优化方案是安全有效的，该方案可大大提高座椅骨架的强度，保证驾驶员的安全。
3.5. 对尺寸优化后的模型进行模态分析并进行对比
对优化后的模型进行模态分析，分析结果如下图7所示：
Figure 7. Modal analysis results after model optimization
图7. 模型优化后的模态分析结果
接下来的工作是对比模型优化前后的模态分析数据，参考上文中得出的模态分析对比结果，可以得知，优化后的模型在模态分析中的振动频率相较于优化前会高出一些。且相较于优化前，在产生相似的形变程度时，优化后的模型能承受更高的振动频率，如在第一阶时，优化前后的模型形变程度都在10 mm上下，此时，优化后的模型比优化前多承受了20 Hz的振动频率；除此之外，在部分工况下，甚至可以在承受更高的振动频率的同时，形变程度小于优化前的模型，由此可见，优化后的座椅骨架相较于优化前的确提升了较高的强度，到此为止，已经可以得出结论：对于原座椅骨架的尺寸优化工作对于提升骨架强度是真实有效的。
4. 总结与展望
本设计的主要内容是对目前市场上的一款汽车的主驾驶座椅骨架进行优化设计与研究，参考分析的结果，对座椅骨架采用不同的方法进行优化设计。首先对骨架进行了静强度分析，结果表明座椅骨架的各处的最大应力均为超过材料的屈服强度；在此基础上对骨架进行了疲劳分析。对骨架采取了尺寸优化和轻量化两种不同的优化方案，尺寸优化采用了对受力最严重处，即连接处进行加厚处理，并对优化后的模型进行了相同工况的静强度分析、疲劳分析、模态分析，分析结果表明优化后的连接处总承重能力提高了约40%，寿命提高了465%，在几乎不增加骨架整体质量的条件下加强其强度，证明优化的可行性。
轻量化选用了相较于结构钢更加轻便的铝合金，对比结构钢，整体的重量可以减少40%，并对轻量化后的骨架进行了两次不同工况的静力学分析，第一次是满足国家试验要求的分析，第二次考虑了和优化前一致的工况条件，对比试验结果表明轻量化是可行的。满足轻量化需求的同时拥有较高的强度。