專利名稱：：轎車座椅靠背側(cè)板優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種轎車座椅靠背側(cè)板的設(shè)計(jì)方法，尤其是一種針對(duì)轎車座椅的可靠性、舒適性和輕量化要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。
背景技術(shù)：
：轎車座椅是由座椅骨架，泡沫和蒙皮組合構(gòu)成，其可靠性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性主要取決于內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)。座椅靠背側(cè)板是座椅靠背的兩側(cè)邊板，正常行駛時(shí)它是支撐乘客上身質(zhì)量的主要構(gòu)件，而受到碰撞沖擊時(shí)又是承受人體對(duì)座椅骨架沖擊的主要構(gòu)件，因此座椅骨架的失效經(jīng)常發(fā)生在側(cè)板上，合理地設(shè)計(jì)側(cè)板的結(jié)構(gòu)形狀非常重要。目前，對(duì)于轎車座椅靠背側(cè)板的設(shè)計(jì)一般以靜強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即滿足結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，而對(duì)于側(cè)板形狀的設(shè)計(jì)往往依賴于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷。事實(shí)上在受到碰撞沖擊時(shí)側(cè)板往往由于局部屈曲而失效。因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮強(qiáng)度、穩(wěn)定性、舒適性及經(jīng)濟(jì)性的因素，才能得到性能最優(yōu)的靠背側(cè)板結(jié)構(gòu)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是要提供一種轎車座椅靠背側(cè)板優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法由三個(gè)設(shè)計(jì)階段組成，分別針對(duì)轎車座椅的可靠性，舒適性和輕量化要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種轎車座椅靠背側(cè)板優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將設(shè)計(jì)過程分為三個(gè)階段進(jìn)行，分別以座椅靠背側(cè)板的前曲線、后曲線及表面壓延筋形貌為設(shè)計(jì)對(duì)象，并在各階段中分別采用人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，以合理的坐姿體壓分布、結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小及穩(wěn)定性最好為設(shè)計(jì)目標(biāo)，綜合考慮座椅的舒適性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性；具體步驟如下1.基于人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)方法的轎車座椅靠背側(cè)板前曲線形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)(1)根據(jù)GB1000-1988“中國成年人人體尺寸”，取轎車座椅靠背側(cè)板高度為H，根據(jù)座椅靠背上下橫梁尺寸分別確定轎車座椅靠背側(cè)板上部寬度hi和根部寬度h2；(2)根據(jù)人體脊柱形狀確定轎車座椅靠背側(cè)板前曲線的基本形狀，在轎車座椅靠背側(cè)板前曲線上均勻的取若干點(diǎn)，其中，包括肩靠和腰靠點(diǎn)；(3)根據(jù)座椅靠背兩點(diǎn)支承要求，調(diào)整轎車座椅靠背側(cè)板前曲線上肩靠和腰靠點(diǎn)的位置，使此處承受壓力；根據(jù)坐姿體壓分布要求，調(diào)整除肩靠和腰靠點(diǎn)以外的其它點(diǎn)的位置，使座椅靠背上的體壓分布從肩靠和腰靠點(diǎn)到其它部位按從大到小過渡；采用樣條曲線連接各點(diǎn)，所得曲線即為所求的滿足人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)要求的座椅靠背側(cè)板前曲線；2.基于結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的轎車座椅靠背側(cè)板的后曲線形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)以轎車座椅靠背側(cè)板質(zhì)量最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和穩(wěn)定性為約束條件，對(duì)靠背側(cè)板后曲線形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，數(shù)學(xué)模型由式(1)表示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中，W為轎車座椅靠背側(cè)板的質(zhì)量，λ1為最小屈曲特征值，[λ]為許用屈曲特征值，σmax為最大應(yīng)力，[σ]為材料的許用應(yīng)力；3.基于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法的轎車座椅靠背側(cè)板表面壓延筋的形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)以側(cè)板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以壓延筋的基本尺寸寬度，高度為設(shè)計(jì)變量，采用式(2)的優(yōu)化模型優(yōu)化得到最佳的轎車座椅側(cè)板壓延筋形；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中，λ1為最小屈曲特征值。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明由三個(gè)設(shè)計(jì)階段組成，首先針對(duì)轎車座椅的舒適性要求，基于人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)方法對(duì)轎車座椅靠背側(cè)板的前曲線形狀進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)；然后針對(duì)轎車座椅的可靠性及經(jīng)濟(jì)性要求，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分別設(shè)計(jì)座椅靠背側(cè)板的后曲線形狀及表面壓延筋的分布。因此在設(shè)計(jì)中綜合考慮了強(qiáng)度、穩(wěn)定性、舒適性及經(jīng)濟(jì)性的因素，得到性能最優(yōu)的靠背側(cè)板結(jié)構(gòu)。應(yīng)用例的優(yōu)化過程前后結(jié)構(gòu)的性能比較列于表4中，由表4可知側(cè)板減重22.38%，最小屈曲因子提高121.86%。圖1是本發(fā)明的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程框圖；圖2是脊柱的形狀及組成示意圖；圖3是轎車座椅靠背側(cè)板設(shè)計(jì)階段二的初始模型示意圖，其中hl是轎車座椅靠背側(cè)板根部寬度，h2是轎車座椅靠背側(cè)板上部寬度，H是轎車座椅靠背側(cè)板高度；圖4是轎車座椅靠背側(cè)板前曲線形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果圖；圖5是轎車座椅靠背側(cè)板后曲線形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果圖；圖6是轎車座椅靠背側(cè)板表面壓延筋形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果示意圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。本發(fā)明的轎車座椅靠背側(cè)板優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，流程如圖1所示，由三個(gè)設(shè)計(jì)階段組成，首先針對(duì)轎車座椅的舒適性要求，基于人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)方法對(duì)轎車座椅靠背側(cè)板的前曲線形狀進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)；然后針對(duì)轎車座椅的可靠性及經(jīng)濟(jì)性要求，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分別設(shè)計(jì)座椅靠背側(cè)板的后曲線形狀及表面壓延筋的分布。1.基于人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)方法的轎車座椅靠背側(cè)板的前曲線形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)為了滿足轎車座椅設(shè)計(jì)的舒適性要求，需保證腰弧曲線的正常形狀和合理的坐姿體壓分布。人體正常腰弧曲線是松弛狀態(tài)下側(cè)臥的曲線，為使坐姿下腰弧曲線變形最小，座椅應(yīng)在腰椎部提供所謂兩點(diǎn)支承。根據(jù)人體脊柱特點(diǎn)(見圖2)，第一支承應(yīng)位于第5-6胸椎之間，稱其為肩靠；第二支承應(yīng)位于第4-5腰椎之間，稱其為腰靠。人體的質(zhì)量在靠背和坐墊上的壓力分布稱為坐姿的體壓分布，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)研究，最舒適的坐姿體壓分布應(yīng)保證人體的大部分質(zhì)量應(yīng)以較大的支承面積、較小的單位壓力合理地分布到坐墊和靠背上；壓力分布應(yīng)從小到大平滑地過渡，避免突變。轎車座椅的舒適性主要決定于座椅骨架的前曲線形狀。根據(jù)以上設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，本發(fā)明提出的轎車座椅靠背側(cè)板前曲線的設(shè)計(jì)如下(1)根據(jù)GB1000-1988“中國成年人人體尺寸”，取轎車座椅靠背側(cè)板高度為H，根據(jù)座椅靠背上下橫梁尺寸分別確定轎車座椅靠背側(cè)板上部寬度hi和根部寬度h2(見圖3)。(2)根據(jù)人體脊柱形狀確定轎車座椅靠背側(cè)板前曲線的基本形狀。在轎車座椅靠背側(cè)板前曲線上均勻的取若干點(diǎn)(包括肩靠和腰靠點(diǎn))。(3)根據(jù)座椅靠背兩點(diǎn)支承要求，調(diào)整轎車座椅靠背側(cè)板前曲線上肩靠和腰靠點(diǎn)的位置，使此處承受較大壓力。根據(jù)坐姿體壓分布要求，調(diào)整除肩靠和腰靠點(diǎn)以外的其它點(diǎn)的位置，使座椅靠背上的體壓分布從肩靠和腰靠點(diǎn)到其它部位按從大到小過渡。為保證轎車座椅靠背側(cè)板前曲線的光順性，采用樣條曲線連接各點(diǎn)，所得曲線即為所求的滿足人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)要求的座椅靠背側(cè)板前曲線。2.基于結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的轎車座椅靠背側(cè)板的后曲線形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)以轎車座椅靠背側(cè)板質(zhì)量最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和穩(wěn)定性為約束條件，對(duì)靠背側(cè)板后曲線形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，數(shù)學(xué)模型由式(1)表示。具體做法是，在轎車座椅靠背側(cè)板的后曲線上均勻的取若干個(gè)點(diǎn)，以這些點(diǎn)的坐標(biāo)為形狀設(shè)計(jì)變量，如圖3所示。采用有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可得到座椅靠背側(cè)板的后曲線最優(yōu)形狀。MinWS·t·A11≥[λ]σmax≤[ο](1)式中，W為轎車座椅靠背側(cè)板的質(zhì)量，λ1為最小屈曲特征值，[λ]為許用屈曲特征值，omax為最大應(yīng)力，[σ]為材料的許用應(yīng)力。3.基于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法的轎車座椅靠背側(cè)板表面壓延筋的形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)板殼結(jié)構(gòu)表面上的壓延筋對(duì)提高結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性有著較大的作用，合理的壓延筋分布及形狀是板殼結(jié)構(gòu)壓延筋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。以結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以壓延筋的基本尺寸(寬度，高度)為設(shè)計(jì)變量，采用式(2)的優(yōu)化模型優(yōu)化可得到最佳的轎車座椅側(cè)板壓延筋形態(tài)。Maxλ丄(2)式中，λ1為最小屈曲特征值。應(yīng)用例以下以某型家用轎車的前排座椅為例，說明本發(fā)明的適用性。1.根據(jù)人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)方法得到轎車座椅靠背側(cè)板的前曲線。根據(jù)GB1000-1988“中國成年人人體尺寸”，取轎車座椅靠背側(cè)板高度H為550_，根據(jù)座椅靠背上下橫梁尺寸分別確定轎車座椅靠背側(cè)板上部寬度hi為27mm和根部寬度h2為85。在轎車座椅靠背側(cè)板前曲線上均勻的取10點(diǎn)(包括肩靠和腰靠點(diǎn)，見圖4)。根據(jù)座椅靠背兩點(diǎn)支承要求，調(diào)整轎車座椅靠背側(cè)板前曲線上肩靠和腰靠點(diǎn)的位置，使此處承受較大壓力。根據(jù)坐姿體壓分布要求，調(diào)整除肩靠和腰靠點(diǎn)以外的其它點(diǎn)的位置，使座椅靠背上的體壓分布從肩靠和腰靠點(diǎn)到其它部位按從大到小過渡。為保證轎車座椅靠背側(cè)板前曲線的光順性，采用樣條曲線連接各點(diǎn)，如圖4所得曲線即為所求。2.轎車座椅靠背側(cè)板后曲線的形狀優(yōu)化。如圖3所示，在轎車座椅靠背側(cè)板的后曲線上均勻的取4點(diǎn)稱為設(shè)計(jì)點(diǎn)，以此4點(diǎn)的y坐標(biāo)的變動(dòng)為設(shè)計(jì)變量。為確保轎車座椅靠背側(cè)板后曲線的光順性，設(shè)計(jì)點(diǎn)的位置變動(dòng)不宜過大，這里4個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的y坐標(biāo)變動(dòng)在-15mm到30mm之間。材料的許用應(yīng)力[σ]為210MPa，許用屈曲特征值[λ]為優(yōu)化前結(jié)構(gòu)的1.05倍。轎車座椅靠背側(cè)板后曲線的形狀優(yōu)化結(jié)果如圖5所示，優(yōu)化結(jié)果列于表1最后一行。形狀優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的性能比較列于表2中，相對(duì)于優(yōu)化前，形狀優(yōu)化后結(jié)構(gòu)重量減輕25.37%，而屈曲因子則增加21.46%，同時(shí)側(cè)板上的應(yīng)力分布更均勻?？梢姡ㄟ^轎車座椅靠背側(cè)板后曲線的形狀優(yōu)化，結(jié)構(gòu)更輕，穩(wěn)定性更高，應(yīng)力分布更均勻。表1設(shè)計(jì)點(diǎn)變動(dòng)區(qū)間及優(yōu)化結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2形狀優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)性能比較優(yōu)化前優(yōu)化后百分—<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>3.轎車座椅靠背側(cè)板表面壓延筋的形貌優(yōu)化。考慮結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸，必須限制壓延筋的最小寬度，最大高度和拔模角度。轎車座椅靠背側(cè)板表面上的壓延筋最小寬度，最大高度和拔模角度約束分別設(shè)為10mm，8mm和60°。轎車座椅靠背側(cè)板表面壓延筋的形貌優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。形貌優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的性能比較列于表3中，相對(duì)于優(yōu)化前，形貌優(yōu)化后結(jié)構(gòu)屈曲因子增加82.67%，質(zhì)量略有增加。通過轎車座椅靠背側(cè)板表面壓延筋的形貌優(yōu)化，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到大幅度提高。表3形貌優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)性能比較<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>整個(gè)優(yōu)化過程前后結(jié)構(gòu)的性能比較列于表4中，由表4可知側(cè)板減重22.38%，最小屈曲因子提高121.86%。表4優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)性能比較<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求一種轎車座椅靠背側(cè)板優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將設(shè)計(jì)過程分為三個(gè)階段進(jìn)行，分別以座椅靠背側(cè)板的前曲線、后曲線及表面壓延筋形貌為設(shè)計(jì)對(duì)象，并在各階段中分別采用人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，以合理的坐姿體壓分布、結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小及穩(wěn)定性最好為設(shè)計(jì)目標(biāo)，綜合考慮座椅的舒適性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性；其特征在于具體步驟如下1)基于人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)方法的轎車座椅靠背側(cè)板的前曲線形狀設(shè)計(jì)(1)根據(jù)GB1000-1988“中國成年人人體尺寸”，取轎車座椅靠背側(cè)板高度為H，根據(jù)座椅靠背上下橫梁尺寸分別確定轎車座椅靠背側(cè)板上部寬度h1和根部寬度h2；(2)根據(jù)人體脊柱形狀確定轎車座椅靠背側(cè)板前曲線的基本形狀，在轎車座椅靠背側(cè)板前曲線上均勻的取若干點(diǎn)，其中包括肩靠和腰靠點(diǎn)；(3)根據(jù)座椅靠背兩點(diǎn)支承要求，調(diào)整轎車座椅靠背側(cè)板前曲線上肩靠和腰靠點(diǎn)的位置，使此處承受壓力；根據(jù)坐姿體壓分布要求，調(diào)整除肩靠和腰靠點(diǎn)以外的其它點(diǎn)的位置，使座椅靠背上的體壓分布從肩靠和腰靠點(diǎn)到其它部位按從大到小過渡；采用樣條曲線連接各點(diǎn)，所得曲線即為所求的滿足人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)要求的座椅靠背側(cè)板前曲線；2)基于結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的轎車座椅靠背側(cè)板的后曲線形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)以轎車座椅靠背側(cè)板質(zhì)量最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和穩(wěn)定性為約束條件，對(duì)靠背側(cè)板后曲線形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，數(shù)學(xué)模型由式(1)表示MinWS.t.λ1≥[λ]σmax≤[σ](1)式中，W為轎車座椅靠背側(cè)板的質(zhì)量，λ1為最小屈曲特征值，[λ]為許用屈曲特征值，σmax為最大應(yīng)力，[σ]為材料的許用應(yīng)力；3)基于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法的轎車座椅靠背側(cè)板表面壓延筋的形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)以側(cè)板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以壓延筋的基本尺寸寬度，高度為設(shè)計(jì)變量，采用式(2)的優(yōu)化模型優(yōu)化得到最佳的轎車座椅側(cè)板壓延筋形；Maxλ1(2)式中，λ1為最小屈曲特征值。全文摘要本發(fā)明涉及一種轎車座椅靠背側(cè)板優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括三個(gè)設(shè)計(jì)階段，具體步驟是1.基于人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)方法的轎車座椅靠背側(cè)板的前曲線形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，2.基于結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的轎車座椅靠背側(cè)板的后曲線形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，3.基于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法的轎車座椅靠背側(cè)板表面壓延筋的形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)。本發(fā)明首先針對(duì)轎車座椅的舒適性要求，基于人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)方法對(duì)轎車座椅靠背側(cè)板的前曲線形狀進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)；然后針對(duì)轎車座椅的可靠性及經(jīng)濟(jì)性要求，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分別設(shè)計(jì)座椅靠背側(cè)板的后曲線形狀及表面壓延筋的分布。因此在設(shè)計(jì)中綜合考慮了強(qiáng)度、穩(wěn)定性、舒適性及經(jīng)濟(jì)性的因素，得到性能最優(yōu)的靠背側(cè)板結(jié)構(gòu)。文檔編號(hào)G06F17/50GK101807226SQ20101015489公開日2010年8月18日申請(qǐng)日期2010年4月23日優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日發(fā)明者丁曉紅,季學(xué)榮,羅智恒,陳葉林申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)