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摘要：当今，汽车的数量与日俱增。特别是小轿车的增长。与此同时，安全和舒适在人内心被看得愈发深重。人坐在汽车里面是与座椅直接接触的，所以人们开始重视它的安全性和舒适性，这是汽车座椅研究的主要方向。在查阅相关的论文后，简要明白了座椅骨架的设计原则和现在的研究情况。在论文的初期工作就是画出骨架的UG三维模型，再而使用hypermesh软件来做有限元的后期分析。参考国标对于座椅骨架的靠背和总成的强度测试标准，利用hypermesh软件对某轿车座椅骨架的靠背和总成进行仿真分析。对仿真分析的结果进行分析，对骨架结构做优化和改进。
关键词：汽车座椅;有限元法;静强度;结构优化
1 本课题的研究内容
本论文需要先准备好骨架的三维模型。本文使用UG这个软件来画座椅骨架的三维模型。在画三维模型前，需要查阅资料来明白座椅骨架的结构特点，工作过程，以及设计要求。最后的工作就是把三维模型做一个有限元模拟仿真分析，使用hypermesh这个软件来做。然后以分析得到的结果为基础来优化改进我的骨架模型。
2 座椅骨架的结构及三维处理
在做分析之前，本论文需要设置出座椅骨架的有限元模型，设置好了模型后才能够对座椅骨架的做强度计算。本文根据某一个品牌的汽车座椅骨架CAD模型作一些适当的删减，把复杂的三维模型中一些对于骨架的强度分析不相关或者不怎么相关的细节去除掉，在简化完成后就可以使用hypermesh软件做前处理了。
3 座椅骨架前处理
骨架的分析原本按照法则有很多，然则顾忌到知识储备量和时间的关系，本论文只对骨架的静强度做分析。
为了完成骨架静强度分析的工作。除了前期一些基本理论的学习和三维模型的绘制。最重要的工作就是画出契合论文整体要求的有限元模型。
具体做法如下：
（1）明确有限元单元类型。
（2）划分网格和连接。
（3）定义材料。
（4）加载。
（5）约束。
（6）编辑属性卡及赋予属性。
4 骨架靠背仿真校核
根据我国GB15083-1994的规定。在靠背的质心处添加相对于座椅参考点R点，施加大小为373N·m的力矩。通过三维模型的数据，在UG里面打开后测量了靠背质心和座椅R点之间的距离为259mm。所以用373N.M除以259mm，再带入单位的位数装换得出施加在靠背质心上的载荷为1440N。
按照法规的标准在靠背骨架上加的载荷大小为1440N。具体的受力点如图4.1：
4.1 骨架靠背分析结果
从图4.2可以看到，在靠背骨架承受了1440N的载荷后整个结构几乎没有变化。首先，骨架的结构是对称的。那么在坐垫左右两边的边板扶手上的应力分布也应该是齐平的。从图可以看到，在靠背骨架和坐垫骨架的连接处应力较大。调节器与靠背的骨架连接处应力较大。两边的边板上也有较大应力。从图中可以看出，最大的应力为256.7MPa。
在坐垫骨架和靠背骨架的连接处有最大应力。最大值为256.7Mpa。两边的边板所采用的材料是St12 钢，厚度1.8mm。屈服极限为280Mpa。在1440大小的压力下，两边边板的应力没有超过材料的屈服极限。整个骨架结构处于弹性阶段。
由图 4.3可知，骨架在受1440N大小的载荷时。骨架的位移量很小，坐垫骨架和脚架看起来没有移动。在骨架靠背总成承受了1440N大小的力后，整个结构位移不大。最大位移出现在靠背骨架的最上端。最大位移为4.363mm。由此可得，我们的结构是符合国标的法规标准的。
5 座椅结构的优化设计
在前面工作的基础上，本文所分析的座椅骨架在国标的框定标准里是符合要求的。但是，本文的工作除了分析，还有另外一部分工作——那就是做优化。所谓做优化，就是对一些应力比较大的地方，或者应变较大的地方做些许尺寸上的改进。从而使得骨架的整体构造更合理。通过对分析结果的研究，本论文决定优化的方案从靠背骨架入手。
5.1 骨架优化部位的确定
从前面的分析结果可知，本论文里的骨架在目前的结构下是符合各项要求的，在分析靠背骨架时，载荷的点较高。这样导致了：
（1）高载荷点时靠背受力大。
（2）低载荷点时靠背受力大。
靠背骨架由一条弯曲的钢管和两边的边板组成。影响钢管强度和刚度的是：
（1）材料材料。
（2）结构尺寸。
本文最初上框的尺寸和材料为：
（1）直径25mm。
（2）厚度1.8mm。
（3）材料为St12。
由以上论述，本文决定在上框的尺寸方面做优化。
5.2 靠背上框改进优化
通过对其它设计的研究。对于本文的靠背骨架的优化。材料不改变。尺寸改变。具体如下：
（1）对原结构上框分析。
（2）从厚度和直径入手。
（3）对新的结构做分析。
（4）分析对比。
（5）优化结构确定。
5.3 原结构上框仿真
如图5.1：在靠背骨架的最高端施加一个700N大小的载荷。这样来看尺寸的改变对强度和刚度的影响。
从图5.2可得，在对上框施加700N大小的力时：
（1）上框的最大位移为7.23mm。
（2）最大位移在上框。
从图5.3可得，在对上框施加700N大小的力时：最大应力出现在坐垫两边的边板和坐垫与靠背的连接处，最大应力为239.9MPa，处于材料的屈服极限内。所以：
（1）上框的鋼管直径减小到22mm。
（2）坐垫边板厚度减小到1.5mm。
（3）以同样加载对结构仿真。
5.4 新结构上框仿真
从图5.4中可以看到，在减小上框钢管直径到22mm后：
（1）最大位移在上框。
（2）最大位移10.99mm。
由此可得，新的尺寸符合要求。
从图5.5中可以看到，在边板厚度减小到1.5mm后：最大应力出现在坐垫两边的边板和坐垫与靠背的连接处，最大应力为267.1MPa。通过减小原结构靠背上框的钢管直径和边板的厚度，使得新的结构更加轻量化，符合要求。
结论：最初上框的尺寸和材料为：直径25mm，厚度1.8mm，材料为St12;在符合国标的力学要求下，减小直径为22mm，厚度1.5mm，材料依旧为St12;通过这样的优化，使得我们的骨架结构更加轻量化，符合要求。
关键词：汽车座椅;有限元法;静强度;结构优化
1 本课题的研究内容
本论文需要先准备好骨架的三维模型。本文使用UG这个软件来画座椅骨架的三维模型。在画三维模型前，需要查阅资料来明白座椅骨架的结构特点，工作过程，以及设计要求。最后的工作就是把三维模型做一个有限元模拟仿真分析，使用hypermesh这个软件来做。然后以分析得到的结果为基础来优化改进我的骨架模型。
2 座椅骨架的结构及三维处理
在做分析之前，本论文需要设置出座椅骨架的有限元模型，设置好了模型后才能够对座椅骨架的做强度计算。本文根据某一个品牌的汽车座椅骨架CAD模型作一些适当的删减，把复杂的三维模型中一些对于骨架的强度分析不相关或者不怎么相关的细节去除掉，在简化完成后就可以使用hypermesh软件做前处理了。
3 座椅骨架前处理
骨架的分析原本按照法则有很多，然则顾忌到知识储备量和时间的关系，本论文只对骨架的静强度做分析。
为了完成骨架静强度分析的工作。除了前期一些基本理论的学习和三维模型的绘制。最重要的工作就是画出契合论文整体要求的有限元模型。
具体做法如下：
（1）明确有限元单元类型。
（2）划分网格和连接。
（3）定义材料。
（4）加载。
（5）约束。
（6）编辑属性卡及赋予属性。
4 骨架靠背仿真校核
根据我国GB15083-1994的规定。在靠背的质心处添加相对于座椅参考点R点，施加大小为373N·m的力矩。通过三维模型的数据，在UG里面打开后测量了靠背质心和座椅R点之间的距离为259mm。所以用373N.M除以259mm，再带入单位的位数装换得出施加在靠背质心上的载荷为1440N。
按照法规的标准在靠背骨架上加的载荷大小为1440N。具体的受力点如图4.1：
4.1 骨架靠背分析结果
从图4.2可以看到，在靠背骨架承受了1440N的载荷后整个结构几乎没有变化。首先，骨架的结构是对称的。那么在坐垫左右两边的边板扶手上的应力分布也应该是齐平的。从图可以看到，在靠背骨架和坐垫骨架的连接处应力较大。调节器与靠背的骨架连接处应力较大。两边的边板上也有较大应力。从图中可以看出，最大的应力为256.7MPa。
在坐垫骨架和靠背骨架的连接处有最大应力。最大值为256.7Mpa。两边的边板所采用的材料是St12 钢，厚度1.8mm。屈服极限为280Mpa。在1440大小的压力下，两边边板的应力没有超过材料的屈服极限。整个骨架结构处于弹性阶段。
由图 4.3可知，骨架在受1440N大小的载荷时。骨架的位移量很小，坐垫骨架和脚架看起来没有移动。在骨架靠背总成承受了1440N大小的力后，整个结构位移不大。最大位移出现在靠背骨架的最上端。最大位移为4.363mm。由此可得，我们的结构是符合国标的法规标准的。
5 座椅结构的优化设计
在前面工作的基础上，本文所分析的座椅骨架在国标的框定标准里是符合要求的。但是，本文的工作除了分析，还有另外一部分工作——那就是做优化。所谓做优化，就是对一些应力比较大的地方，或者应变较大的地方做些许尺寸上的改进。从而使得骨架的整体构造更合理。通过对分析结果的研究，本论文决定优化的方案从靠背骨架入手。
5.1 骨架优化部位的确定
从前面的分析结果可知，本论文里的骨架在目前的结构下是符合各项要求的，在分析靠背骨架时，载荷的点较高。这样导致了：
（1）高载荷点时靠背受力大。
（2）低载荷点时靠背受力大。
靠背骨架由一条弯曲的钢管和两边的边板组成。影响钢管强度和刚度的是：
（1）材料材料。
（2）结构尺寸。
本文最初上框的尺寸和材料为：
（1）直径25mm。
（2）厚度1.8mm。
（3）材料为St12。
由以上论述，本文决定在上框的尺寸方面做优化。
5.2 靠背上框改进优化
通过对其它设计的研究。对于本文的靠背骨架的优化。材料不改变。尺寸改变。具体如下：
（1）对原结构上框分析。
（2）从厚度和直径入手。
（3）对新的结构做分析。
（4）分析对比。
（5）优化结构确定。
5.3 原结构上框仿真
如图5.1：在靠背骨架的最高端施加一个700N大小的载荷。这样来看尺寸的改变对强度和刚度的影响。
从图5.2可得，在对上框施加700N大小的力时：
（1）上框的最大位移为7.23mm。
（2）最大位移在上框。
从图5.3可得，在对上框施加700N大小的力时：最大应力出现在坐垫两边的边板和坐垫与靠背的连接处，最大应力为239.9MPa，处于材料的屈服极限内。所以：
（1）上框的鋼管直径减小到22mm。
（2）坐垫边板厚度减小到1.5mm。
（3）以同样加载对结构仿真。
5.4 新结构上框仿真
从图5.4中可以看到，在减小上框钢管直径到22mm后：
（1）最大位移在上框。
（2）最大位移10.99mm。
由此可得，新的尺寸符合要求。
从图5.5中可以看到，在边板厚度减小到1.5mm后：最大应力出现在坐垫两边的边板和坐垫与靠背的连接处，最大应力为267.1MPa。通过减小原结构靠背上框的钢管直径和边板的厚度，使得新的结构更加轻量化，符合要求。
结论：最初上框的尺寸和材料为：直径25mm，厚度1.8mm，材料为St12;在符合国标的力学要求下，减小直径为22mm，厚度1.5mm，材料依旧为St12;通过这样的优化，使得我们的骨架结构更加轻量化，符合要求。