霍成鹏 武雷 贝拥 黄海峰
摘 要：文章针对三人座椅强度计算分析，通过计算截面系数，改变传统的设计形式，调整座椅下横梁的结构，选择长方形实心体、圆形实心体、圆管和方管分别计算Iz（截面惯性矩）、Wz（截面抵抗矩）数值进行比较，实现座椅设计优化。
关键词：汽车;座椅;骨架;设计
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，强度计算在整个座椅行业中最为重要，在法规当中必须执行，座椅强度直接影响了乘客的安全，这也对座椅设计提出了更多更严格的要求，在整个开发过程中，工程师首先要考虑法规强度要求，其次需要考虑座椅的成本和重量以及整椅的开发周期[1]。
1 座椅骨架
本文针对三人座椅的设计，充分利用理论分析，在设计初期，根据不同分析的结果选择设计方案，节省开发周期，保证座椅强度，提高开发效率。
目前在设计座椅骨架阶段大多是凭借经验和平台化去实现座椅骨架设计[2]，遇到新问题时会借助FEA计算座椅强度是否能满足要求，经过长时间的计算会增加设计时间且效率低，不能有效找出最佳设计方案。本文通过理论公式计算出最佳设计方案的理论数值，利用FEA分析理论数值中的最优方案，针对结果分析得出最佳选择，保证座椅强度，缩短座椅骨架设计周期，提高效率[3，4]。
截面系数是用于描述零件截面形状和尺寸对零件受力、受弯、受扭等影响的物理量，通常在横截面上离中性轴最远的各点处，弯曲正应力最大，抗弯截面系数其值为：
由此公式1可见，抗弯界面系数WZ综合反映了横截面的形状与尺寸对弯曲正应力的影响。
1.1 座椅骨架设计
座椅骨架设计需要满足法规的要求，其中强度抗弯占主要工况。因此我们在设计的过程中，通过主要受力部件的理论计算分析。
式中，IZ截面惯性矩;WZ为截面抵抗拒;圆截面d为直径;矩形截面b为宽;h为高;空心圆截面σ=d/D;d为内环直径;D为外环直径;空心矩形截面b为宽;h为高;b0为宽;h0为高。
2 三人座椅骨架设计
针对座椅骨架的设计，本文采用大型SUV三人座椅骨架，骨架采用性能较优的冲压钣和框管结合，如图1所示：
2.1 截面系数计算
采用汽车三人座椅骨架，通过分析座椅后下横梁的截面系数，设计8种方案进行理论计算，利用公式根据不同形状的截面系数公式计算出不同的理论数值，如表1所示：
座椅需要满足强度的前提下尽可能的使座椅低成本、轻量化，因此选择重量较轻的设计也是必要的。通过理论计算對比8种不同形状及类型的截面系数，综合考虑座椅强度、重量以及空间等因素，对比结果得出方案1和方案2在理论计算上是最优化的方案，因此选用这两种方案进行FEA强度计算进行优化[5]。
通过对方案1和方案2进行座椅FEA计算，根据GB14167-2013的试验标准，座椅必须要满足对应的法规标准，根据相关计算，图1中座椅下横梁是需要承受更大的载荷，主要是抵御抗弯，本次通过计算最重要的座椅下承载横梁，从而优化设计，达到最优的状态。
2.2 座椅模型搭建
利用FEA分析软件，进行模型搭建，建议加载模型如图2所示。
座椅在上人体模块加载（16200N+24倍座椅重量），在下人体模块加载（16200N+24倍座椅重量），座椅加载如图2所示：
3 计算结果分析
经过分析，计算结果为采用两种方案均能满足安全带固定点试验，对比两种方案如图3中标识处为安全带插锁位置，此处为主要受力点，通过对该点的比较分析，在塑性变形和位移两方面，来判断哪种方案更优。通过图中的应力变化，圆管方案在后横梁强度上优于方管方案。
由于安全带插锁固定在座椅后横梁上，因此后下横梁受力较大如图4所示，但是根据计算结果可见均可满足座椅安全带固定点的法规要求。
图5中位移分析，方管方案位移量区域比较大，整个部件的位移量均大于60mm，最小处也达到40mm以上，圆管方案位移量较小，只有少量局部在52mm，整体在40mm以上，根据结果所得位移量对比，明显方案1性能优于方案2。
通过FEA计算结果，如图6所示，通过对两种方案中位移的对比，可以看出圆管位移量比较小，如选择此方案更能优化座椅强度的要求，同时也符合截面系数公式理论计算结果。
座椅的塑性变形量如图6所示，圆管和方管的变形量对比，明显圆管的塑性变形应变量（长度相对的变化量）比较小，根据应变量的对比，方案1优于方案2，根据GB14167中对整体骨架的要求，塑性变形应变量较小的优先。
虽然圆管下横梁强度优于方管方案强度，但是两个方案均能满足120%法规GB14167要求的强度要求，但是在重量上方管轻于圆管。因此座椅设计采用方管男方案，如图7所示：
5 结论
本文利用理论截面系数公式进行计算，得出结论方案1和方案2，利用FEA计算均能120%满足GB14167的强度要求，得出以下结论：
（1）方案1方案在座椅強度上明显优于方案2的圆管方案。
（2）方案2对比方案1重量上轻0.618kg。
（3）综合计算结果因此选择方案2：38×38mm的方管做为座椅的下横梁。
参考文献
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