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原文传递一种客车座椅靠背骨架及其设计方法

专利名称：	一种客车座椅靠背骨架及其设计方法
摘要：	本发明公开了一种客车座椅靠背骨架及其设计方法，克服了目前存在的质量增加和设计盲目性的问题，骨架包括座椅靠背骨架边框(1)、座椅靠背骨架上背板(2)与座椅靠背骨架下背板(3)；座椅靠背骨架边框(1)为左、右对称的钢管结构件，座椅靠背骨架边框(1)的正面形状为“倒U字形”，侧面形状在中、下端两处有弯折；座椅靠背骨架上背板(2)与座椅靠背骨架下背板(3)均为左、右对称的钢质的曲面板结构件，上背板(2)与下背板(3)均采用点焊方式与座椅靠背骨架边框(1)的上端与中、下端固定连接；该客车座椅靠背骨架总长L为458mm，总宽W为256mm，总高H为792mm，本发明还公开了一种客车座椅靠背骨架的设计方法。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	吉林;22
申请人：	吉林大学
发明人：	张君媛;郑丹枫;房强;纪梦雪;陈家乐;宁立男
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-22T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-11T00:00:00+0800
申请号：	CN201910220293.7
公开号：	CN109866846A
代理机构：	长春吉大专利代理有限责任公司
代理人：	齐安全;胡景阳
分类号：	B62D65/00(2006.01);B;B62;B62D;B62D65
申请人地址：	130012 吉林省长春市前进大街2699号
主权项：	1.一种客车座椅靠背骨架,其特征在于，所述的一种客车座椅靠背骨架包括有座椅靠背骨架边框(1)、座椅靠背骨架上背板(2)与座椅靠背骨架下背板(3)；所述的座椅靠背骨架边框(1)为左、右对称的钢管结构件，钢管壁厚为2mm，座椅靠背骨架边框(1)的正面形状为“倒U字形”，侧面形状在中、下端两处有弯折；所述的座椅靠背骨架上背板(2)与座椅靠背骨架下背板(3)均为左、右对称的钢质的曲面板结构件，上背板(2)与下背板(3)均采用点焊方式与座椅靠背骨架边框(1)的上端与下端固定连接；该客车座椅靠背骨架总长L为458mm，总宽W为256mm，总高H为792mm。 2.按照权利要求1所述的一种客车座椅靠背骨架,其特征在于，所述的座椅靠背骨架边框(1)由座椅靠背骨架左侧边框(4)、座椅靠背骨架右侧边框(5)与上部横梁(6)组成；座椅靠背骨架左侧边框(4)与座椅靠背骨架右侧边框(5)为对称相等的两个管件，座椅靠背骨架左侧边框(4)与座椅靠背骨架右侧边框(5)的横截面形状同为圆环形，内径为26mm，座椅靠背骨架左侧边框(4)与座椅靠背骨架右侧边框(5)的中端向后同弯成158°的角度，座椅靠背骨架左侧边框(4)与座椅靠背骨架右侧边框(5)的上端向前同弯成152°的角度，同时座椅靠背骨架左侧边框(4)与座椅靠背骨架右侧边框(5)的上端向里侧即向右、左侧同弯成108°的角度，座椅靠背骨架左侧边框(4)与座椅靠背骨架右侧边框(5)的底端压扁，并在压扁处设置有同轴线的用于和连接板相连的销孔(7)；所述的上部横梁(6)为等矩形横截面的结构件，是通过将和座椅靠背骨架左侧边框(4)与座椅靠背骨架右侧边框(5)结构相同的圆管压扁而成，上部横梁(6)的左、右两端和座椅靠背骨架左侧边框(4)与座椅靠背骨架右侧边框(5)的顶端连成一体。 3.按照权利要求1所述的一种客车座椅靠背骨架,其特征在于，所述的座椅靠背骨架上背板(2)为左、右对称的板类结构件，板厚为0.8mm，座椅靠背骨架上背板(2)的左、右宽度尺寸与座椅靠背骨架边框(1)上端的左、右宽度尺寸相等；所述的座椅靠背骨架上背板(2)由中间主干(8)、左侧枝干(9)与右侧枝干(10)组成；所述的中间主干(8)的下部宽度大于上部宽度，中间主干(8)的下部两侧边为直线边，下部宽度D＝118mm；中间主干(8)的上部两侧边为曲线边，且自下而上中间主干(8)的宽度先逐渐减小，在宽度达到最小后又逐渐增大，最小宽度d＝30mm；中间主干(8)的底端边为曲线边，顶端边为直线边；左侧枝干(9)与右侧枝干(10)是关于中间主干(8)的对称中线的对称件，左侧枝干(9)与右侧枝干(10)的正面形状类似于“平躺”的字母“Y”，左侧枝干(9)的右侧边与右侧枝干(10)的左侧边与中间主干(8)的下部两侧边共边；左侧枝干(9)自右向左，左侧枝干(9)的上下长度先逐渐减小，而后逐渐增大，在c＝80mm处出现分叉，上部分叉向左上方延伸，下部分叉向左下方延伸，上部分叉的上下长度小，下部分叉的上下长度大,但二者的上下长度都是自右向左先逐渐减小而后逐渐增大，上部分叉与下部分叉的左侧边均为直线边，右侧枝干(10)的结构形状与左侧枝干(9)的结构形状完全对称相等，结构尺寸与连接工艺与左侧枝干(9)完全相同；座椅靠背骨架上背板(2)为曲面板类结构件，其纵向曲率为0.0013mm-1,左侧枝干(9)与右侧枝干(10)的上部分叉与下部分叉在横向上也存在一定曲率，上部分叉横向曲率为0.00023mm-1，下部分叉横向曲率为0.00032mm-1。 4.按照权利要求1所述的一种客车座椅靠背骨架,其特征在于，所述的座椅靠背骨架下背板(3)为左、右对称的板类结构件，板厚为0.8mm，座椅靠背骨架下背板(3)上设置有6个形状、大小不一的通孔；其中：所述的上部通孔(11)形状为左、右对称的五边形的通孔，上部通孔(11)设置在座椅靠背骨架下背板(3)的上端，上部通孔(11)的上孔边与座椅靠背骨架下背板(3)的顶端背板边相平行，各孔边交接处即相邻两孔边之间均采用圆弧边过渡连接；所述的中部左侧通孔(12)与中部右侧通孔(13)为对称的、结构尺寸相等的2个通孔，中部左侧通孔(12)与中部右侧通孔(13)对称地分布在上部通孔(11)的下方，并且中部左侧通孔(12)与中部右侧通孔(13)的上孔边和上部通孔(11)的左下孔边与右下孔边相平行；所述的中部中间通孔(14)分布在中部左侧通孔(12)与中部右侧通孔(13)的中间位置，中部中间通孔(14)为等腰三角形的通孔，中部中间通孔(14)的各孔边交接处同样采用圆弧边过渡连接；所述的下部左侧通孔(15)与下部右侧通孔(16)为对称的、结构尺寸相同的通孔，下部左侧通孔(15)与下部右侧通孔(16)对称地分布在中部左侧通孔(12)与中部右侧通孔(13)的下方；在座椅靠背骨架下背板(3)的底端背板边、向前弯折形成的左侧下背板翻边与右侧下背板翻边的中部均设置有“豁口”，座椅靠背骨架下背板(3)为具有曲率为0.0011mm-1的曲面板，且座椅靠背骨架下背板(3)的左侧下背板翻边与右侧下背板翻边的前端边的结构形状和座椅靠背骨架边框(1)中的座椅靠背骨架左侧边框(4)与座椅靠背骨架右侧边框(5)的中、下端结构形状相同；座椅靠背骨架下背板(3)的左、右宽度尺寸与座椅靠背骨架边框(1)中、下端的左、右宽度尺寸相等；上部通孔(11)上方设置有能够对乘客背部提供有效支撑的横向背部支撑(17)，座椅靠背骨架下背板(3)为整体冲裁板件。 5.一种客车座椅靠背骨架的设计方法,其特征在于，所述的一种客车座椅靠背骨架的设计方法包括步骤如下： 1)初始客车座椅安全性仿真分析； 2)建立客车座椅靠背骨架拓扑优化模型； 3)设置拓扑优化参数并提交计算； 4)拓扑结果工程解读； 5)客车座椅靠背骨架结构设计及安全性验证。 6.按照权利要求5所述的一种客车座椅靠背骨架的设计方法,其特征在于，所述的初始客车座椅安全性仿真分析是指： 1)初始客车座椅前倾工况安全性仿真分析 (1)建立前倾工况下客车座椅-假人耦合模型 a.建立前倾工况下客车座椅有限元模型根据GB 13057-2014中对客车座椅动态试验的规定，在有限元仿真软件HyperMesh中依次进行几何清理、网格划分、网格质量检查、材料及属性赋予、接触及连接设置、边界条件施加即对客车地板施加满足法规要求的加速度-时间曲线、并且定义需要输出的动画、接触载荷、节点位移、单元应力信息，从而建立客车座椅有限元模型； b.建立前倾工况下假人及辅助座椅多刚体模型根据GB 13057-2014中对客车座椅动态试验的规定，在多刚体仿真软件MADYMO中设置模型控制参数、建立辅助座椅模型、导入假人模型、调整假人姿态和位置、建立接触、定义加速度场即对辅助座椅施加满足法规要求的加速度-时间曲线，并且定义需要输出的动画、假人头部和腿部的加速度、载荷、伤害、位移信息，从而建立假人及辅助座椅多刚体模型； c.将有限元模型与多刚体模型进行耦合在MADYMO软件的耦合模块Coupling Assistant中，导入客车座椅有限元模型与假人及辅助座椅多刚体模型，调整多刚体模型的位置，建立耦合集及接触，建立计算空间，从而将客车座椅有限元模型和假人及辅助座椅多刚体模型进行耦合得到客车座椅-假人耦合模型； (2)提交计算并进行后处理 a.提交计算使用MADYMO软件的耦合模块Coupling Assistant生成客车座椅-假人耦合模型的同时会生成用于耦合计算的K文件与XML文件，将生成的K文件与XML文件在LINUX系统下提交计算； b.后处理使用HyperGraph软件输出假人头部、腿部载荷-时间曲线，绘制假人头部、腿部与座椅的相对位移-时间曲线；从生成的PEAK文件中获取假人头部伤害值HIC、胸部伤害值ThAC和腿部伤害值FAC；从而判断该客车座椅前倾工况下安全性是否满足法规要求，并为后续优化设计提供所需曲线； 2)初始客车座椅后倾工况安全性仿真分析 (1)建立后倾工况下客车座椅有限元模型根据GB 15083-2006中对座椅靠背静强度试验的规定，使用有限元仿真软件HyperMesh在前倾工况客车座椅有限元模型的基础上，修改边界条件，即删除对客车地板施加的加速度-时间曲线，改为对座椅靠背沿纵向向后施加相对于座椅“R”点530Nm力矩的载荷，从而建立后倾工况下的客车座椅有限元模型； (2)提交计算并进行后处理将所建立的后倾工况下客车座椅有限元模型在HyperMesh软件中提交计算，计算结束后在HyperView软件中观察仿真动画，查看座椅骨架、座椅固定装置、调节装置、移位折叠装置是否发生失效，是否能够承受所施加的载荷，从而判断该客车座椅后倾工况下安全性是否满足法规要求。 7.按照权利要求5所述的一种客车座椅靠背骨架的设计方法,其特征在于，所述的建立客车座椅靠背骨架拓扑优化模型是指： 1)确定设计域和非设计域基于已有的客车座椅有限元模型，根据客车座椅靠背骨架的结构特点、设计目标、多工况加载和约束的边界条件以及相应工况下客车座椅靠背骨架的响应特点，将主要承力结构作为设计域，非承力结构或次要承力结构作为非设计域，设计域的材料在后续拓扑计算中重新分布，非设计域材料不发生改变； 2)建立初始优化空间在原有客车座椅靠背骨架结构的基础上，将设计域材料全部填充，从而建立初始优化空间； 3)工况加载 (1)前倾工况加载在前倾工况下，对于这种动态冲击工况需要采用式(1)将动态冲击载荷等效为静态载荷，即局部平均碰撞载荷P：式中：F(s)为碰撞载荷峰值范围内碰撞载荷随位移的历程，S1与S2分别为碰撞载荷峰值范围起始时的位移和结束时的位移；因此需要将步骤1“初始客车座椅安全性仿真分析”中输出的假人头部、腿部载荷-时间曲线、假人头部、腿部与座椅的相对位移-时间曲线整合为假人头部、腿部载荷-相对位移曲线，并在该曲线上截取载荷峰值范围内的部分，采用式(1)计算局部平均碰撞载荷P，即为假人头部、腿部等效静态载荷；利用HyperView软件从仿真动画中观察并找出碰撞过程中假人头部、腿部与客车座椅靠背骨架接触的区域，然后在这些区域上均匀施加相应的等效静载；约束的施加同样要注意与动态冲击效果等效； (2)后倾工况加载在后倾工况下，对于这种静态工况需要根据GB15083-2006，对座椅靠背沿纵向向后施加相对于座椅“R”点530Nm力矩的载荷。 8.按照权利要求5所述的一种客车座椅靠背骨架的设计方法,其特征在于，所述的设置拓扑优化参数并提交计算是指： 1)定义设计变量在拓扑优化仿真软件Genesis中，定义拓扑优化的设计变量为优化空间的材料密度； 2)定义优化目标在拓扑优化仿真软件Genesis中，定义拓扑优化的优化目标为优化空间应变能最小，同时为了更好地辅助工程解读，对于前倾工况和后倾工况两种工况，在优化目标中设置不同的工况权重比来研究各传力路径与各工况的对应关系； 3)定义约束条件在拓扑优化仿真软件Genesis中，定义拓扑优化的约束条件为质量分数即优化空间内优化后剩余材料质量占优化前材料质量的百分比，同时为了更好地辅助工程解读，在约束条件中分别设置多组质量分数来研究各个传力路径的重要程度； 4)提交计算在拓扑优化仿真软件Genesis中提交计算，得到客车座椅靠背骨架多种工况权重比、多种质量分数的正交试验拓扑结果。 9.按照权利要求5所述的一种客车座椅靠背骨架的设计方法,其特征在于，所述的拓扑结果工程解读是指： 1)相同权重比，比较不同质量分数拓扑结果比较相同权重比，不同质量分数时的拓扑结果，分析各个传力路径的重要程度；质量分数最小时拓扑结果中出现的传力路径为该权重比下最重要的传力路径，随着质量分数的增加，依次出现的传力路径的重要程度逐渐降低； 2)相同质量分数，比较不同权重比拓扑结果比较相同质量分数，不同权重比时的拓扑结果，分析各传力路径与各工况的对应关系； 3)确定客车座椅靠背骨架优化方案基于上述对正交试验拓扑结果的比较分析，确定客车座椅靠背骨架优化方案时，首先考虑客车座椅靠背骨架的工况要求，该工况下最重要的传力路径一定要保留；然后考虑客车座椅靠背骨架设计的轻量化目标即允许的最大质量布置剩余材料，布置的原则是按照传力路径的重要程度由高到低依次添加对应路径上的材料，并适当加宽原有路径；最后根据座椅舒适性和工艺可行性要求对局部结构进行细化和修改，得到客车座椅靠背骨架的优化方案。 10.按照权利要求5所述的一种客车座椅靠背骨架的设计方法,其特征在于，所述的客车座椅靠背骨架结构设计及安全性验证是指：根据“拓扑结果工程解读”步骤中确定的优化方案对客车座椅靠背骨架结构进行优化设计，并将优化设计后的客车座椅靠背骨架替换初始客车座椅模型中的靠背骨架；重新进行计算，验证优化设计后的客车座椅是否满足GB 13057-2014规定的客车座椅动态试验要求与GB 15083-2006规定的座椅靠背静强度试验要求；若满足法规要求，则将该客车座椅靠背骨架结构作为最终的设计方案；若不满足法规要求，则调整座椅靠背骨架边框管件(1)、座椅靠背骨架上背板(2)与座椅靠背骨架下背板(3)的厚度，或根据正交试验拓扑结果调整传力路径的布置，直至满足法规要求。
所属类别：	发明专利