一种客车座椅靠背骨架的制作方法

本实用新型涉及一种客车座椅，更确切地说，本实用新型涉及一种客车座椅靠背骨架。

背景技术：

随着我国客车使用量的不断增加，交通事故量也不断增加，给人们的生命和财产带来巨大损失。客车座椅与驾驶员和乘员直接接触，直接影响驾乘人员的生命安全，是客车上重要的安全装置之一。

针对客车座椅的安全性问题，我国于2003年出台了客车座椅安全法规gb13057-2003《客车座椅及其车辆固定件的强度》，并于2014年对其进行了修订，新修订的gb13057-2014用动态试验取代了静态试验。gb13057-2014动态试验是将客车座椅安装在试验平台上，按照要求对其施加加速度-时间曲线，模拟客车发生碰撞，后排辅助座椅上的乘员向前运动与试验座椅发生碰撞，图1为该过程示意图。本实用新型将该工况称为“前倾工况”。在前倾工况下，试验后假人躯干和头部的任何部分向前位移不得超过位于辅助座椅r点前1.6m的横向垂面；客车座椅及安装件或附件等不应对乘员造成伤害，座椅部件及固定件要稳固，座椅不发生严重变形、断裂、失效或其他严重损坏现象，乘员伤害应满足如下要求：

1.头部允许指标(hic)：小于500；

2.胸部允许指标(thac)：小于30g(持续作用时间小于3ms的峰值除外)(g＝9.81m/s²)；

3.腿部允许指标(fac)：小于10kn；当持续作用时间大于20ms时，应小于8kn。

除gb13057-2014《客车座椅及其车辆固定件的强度》外，gb15083-2006《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》对座椅靠背及其调节装置的静强度做出了要求，规定对座椅靠背沿纵向向后加载相对于座椅“r”点530nm的力矩。本实用新型将该工况称为“后倾工况”，在后倾工况下，试验过程中以及试验后，座椅靠背、座椅固定装置、调节装置均不应失效，允许产生不会增加伤害程度的永久变形(包括断裂)且能承受规定载荷。本实用新型在前倾工况基础上增加后倾工况，对座椅靠背进行多工况的安全性设计，使其安全性能更加全面可靠。

较为完整的客车座椅结构通常包含座椅骨架、泡沫、面套和座椅调节装置等，其中座椅骨架对安全性能有较大影响。座椅骨架包含靠背骨架和坐垫骨架，材料一般是钢。为了满足安全性要求，多数企业通常会选择增大靠背骨架圆管口径、增加靠背骨架背板厚度等。这种做法一方面导致座椅质量大幅增加，由于客车座椅数量众多，严重影响整车动力性和燃油经济性，并且致使汽车尾气排放增加，加重环境污染；另一方面采用该方法需要反复设计和验证，存在较大的设计盲目性。因此,在满足安全法规要求的前提下,对客车座椅骨架进行轻量化设计尤为重要。

目前，实现座椅骨架轻量化的途径主要有三种：

(1)结构轻量化：即对座椅骨架结构进行优化及重新设计，优化手段有拓扑优化、尺寸优化等；

(2)工艺轻量化：对座椅中零部件的加工工艺与连接工艺进行轻量化手段的更新；

(3)材料轻量化：使用新型轻质材料替换传统的密度较大的钢材。

拓扑优化是一种在给定的加载条件、边界约束条件和性能指标要求下，在给定的设计空间内寻求最佳材料分布的优化方法。该技术应用于产品概念设计阶段，获取传力路径，指导结构设计，在保证结构性能要求的同时实现轻量化，避免传统设计方法的盲目性，从而缩短开发时间，降低开发成本。

该技术主要通过有限元分析、灵敏度计算以及寻求材料最优分布的多次迭代实现。当材料分布趋于稳定时，迭代终止，得到拓扑结果。工程师依据经验，考虑工艺可行性等对拓扑结果进行工程解读，得到最终的设计方案。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的质量增加的问题，提供了一种客车座椅靠背骨架。

为解决上述技术问题，本实用新型是采用如下技术方案实现的：所述的客车座椅靠背骨架包括有座椅靠背骨架边框、座椅靠背骨架上背板与座椅靠背骨架下背板；

所述的座椅靠背骨架边框为左、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与座椅靠背骨架下背板均为左、右对称的钢质的曲面板结构件，座椅靠背骨架上背板与座椅靠背骨架下背板均采用点焊方式与座椅靠背骨架边框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。

技术方案中所述的座椅靠背骨架边框由座椅靠背骨架左侧边框、座椅靠背骨架右侧边框与上部横梁组成；座椅靠背骨架左侧边框与座椅靠背骨架右侧边框为对称相等的两个管件，座椅靠背骨架左侧边框与座椅靠背骨架右侧边框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与座椅靠背骨架右侧边框的中端向后同弯成158°的角度，座椅靠背骨架左侧边框与座椅靠背骨架右侧边框的上端向前同弯成152°的角度，同时座椅靠背骨架左侧边框与座椅靠背骨架右侧边框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与座椅靠背骨架右侧边框的底端压扁，并在压扁处设置有同轴线的用于和连接板相连的销孔；所述的上部横梁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与座椅靠背骨架右侧边框结构相同的圆管压扁而成，上部横梁的左、右两端和座椅靠背骨架左侧边框与座椅靠背骨架右侧边框的顶端连成一体。

技术方案中所述的座椅靠背骨架上背板为左、右对称的板类结构件，板厚为0.8mm，座椅靠背骨架上背板的左、右宽度尺寸与座椅靠背骨架边框上端的左、右宽度尺寸相等；所述的座椅靠背骨架上背板由中间主干、左侧枝干与右侧枝干组成；所述的中间主干的下部宽度大于上部宽度，中间主干的下部两侧边为直线边，下部宽度d＝118mm；中间主干的上部两侧边为曲线边，且自下而上中间主干的宽度先逐渐减小，在宽度达到最小后又逐渐增大，最小宽度d＝30mm；中间主干的底端边为曲线边，顶端边为直线边；左侧枝干与右侧枝干是关于中间主干的对称中线的对称件，左侧枝干与右侧枝干的正面形状类似于“平躺”的字母“y”，左侧枝干的右侧边与右侧枝干的左侧边与中间主干的下部两侧边共边；左侧枝干自右向左，左侧枝干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，右侧枝干的结构形状与左侧枝干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完全相同；座椅靠背骨架上背板为曲面板类结构件，其纵向曲率为0.0013mm^-1,左侧枝干与右侧枝干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。

技术方案中所述的座椅靠背骨架下背板为左、右对称的板类结构件，板厚为0.8mm，座椅靠背骨架下背板上设置有6个形状、大小不一的通孔，分别是上部通孔、中部左侧通孔、中部右侧通孔、中部中间通孔、下部左侧通孔与下部右侧通孔；其中：所述的上部通孔的形状为左、右对称的五边形的通孔，上部通孔设置在座椅靠背骨架下背板的上端，上部通孔的上孔边与座椅靠背骨架下背板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与中部右侧通孔为对称的、结构尺寸相等的2个通孔，中部左侧通孔与中部右侧通孔对称地分布在上部通孔的下方，并且中部左侧通孔与中部右侧通孔的上孔边和上部通孔的左下孔边与右下孔边相平行；所述的中部中间通孔分布在中部左侧通孔与中部右侧通孔的中间位置，中部中间通孔为等腰三角形的通孔，中部中间通孔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与下部右侧通孔为对称的、结构尺寸相同的通孔，下部左侧通孔与下部右侧通孔对称地分布在中部左侧通孔与中部右侧通孔的下方；在座椅靠背骨架下背板的底端背板边、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为具有曲率为0.0011mm^-1的曲面板，且座椅靠背骨架下背板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中的座椅靠背骨架左侧边框与座椅靠背骨架右侧边框的中、下端结构形状相同；座椅靠背骨架下背板的左、右宽度尺寸与座椅靠背骨架边框中、下端的左、右宽度尺寸相等；上部通孔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，座椅靠背骨架下背板为整体冲裁板件。

与现有技术相比本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型所述的客车座椅靠背骨架能够在同时满足多种工况(gb13057-2014《客车座椅及其车辆固定件的强度》规定的“前倾”动态试验和gb15083-2006《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》规定的“后倾”静强度试验)安全性要求的前提下实现客车座椅的轻量化，克服目前客车座椅安全性设计过程中存在的质量增加问题，提高整车动力性和燃油经济性。

2.本实用新型所述的客车座椅靠背骨架的设计方法基于拓扑优化技术，能够在给定的设计空间内获得最佳的材料分布，一方面避免了传统设计中依据经验反复修改的盲目性，缩短了开发时间，节约了开发成本；另一方面，本设计方法通过拓扑优化技术获取传力路径，以传力路径为指导布置材料，提高材料利用率，在优化过程中约束质量分数，使得所设计的客车座椅靠背骨架在设计之初即满足轻量化要求；再者，客车座椅在实际使用时会承受各种工况的载荷，需要满足多种工况的要求，本设计方法能够同时针对多种工况进行客车座椅靠背骨架的安全性和轻量化设计，采用本方法设计的客车座椅具备更加全面可靠的性能；此外，本设计方法还提供了一种解读拓扑结果的思路和方法，能够更好地辅助工程师进行拓扑结果解读。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：

图1为gb13057-2014动态试验规定的模拟客车发生碰撞时后排辅助座椅上的乘员向前运动与试验座椅发生碰撞的前倾工况示意图；

图2-a为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架结构组成的主视图；

图2-b为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架结构组成的左视图；；

图3-a为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架中所采用的座椅靠背骨架边框结构组成的主视图；

图3-b为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架中所采用的座椅靠背骨架边框结构组成的左视图；

图4-a为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架中所采用的座椅靠背骨架上背板结构组成的主视图；

图4-b为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架中所采用的座椅靠背骨架上背板结构组成的左视图；

图5-a为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架中所采用的座椅靠背骨架下背板结构组成的主视图；

图5-b为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架中所采用的座椅靠背骨架下背板结构组成的左视图；

图6为本实用新型所述的一种针对多工况安全性与轻量化的客车座椅靠背骨架设计方法的流程框图；

图7为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中前倾工况下客车座椅有限元模型轴测投影视图；

图8为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中前倾工况下假人及辅助座椅多刚体模型主视图；

图9为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中前倾工况下客车座椅-假人耦合模型轴测图；

图10为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中前倾工况安全性仿真分析时对客车地板和辅助座椅施加的加速度-时间曲线图；

图11-a为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中前倾工况无安全带约束时假人头部x向载荷-时间曲线图；

图11-b为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中前倾工况无安全带约束时假人头部z向载荷-时间曲线图；

图12-a为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中前倾工况无安全带约束时假人头部与客车地板的x向相对位移-时间曲线图；

图12-b为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中前倾工况无安全带约束时假人头部与客车地板的z向相对位移-时间曲线图；

图13为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中初始客车座椅骨架结构组成的主视图；

图14-a为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中客车座椅靠背骨架初始优化空间主视图；

图14-b为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中客车座椅靠背骨架初始优化空间左视图；

图15-a为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中无安全带约束时假人头部x向载荷-相对位移曲线图；

图15-b为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中无安全带约束时假人头部z向载荷-相对位移曲线图；

图16-a为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中客车座椅靠背骨架拓扑优化前倾工况加载主视图；

图16-b为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中客车座椅靠背骨架拓扑优化前倾工况加载左视图；

图17-a为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中客车座椅靠背骨架拓扑优化后倾工况加载主视图；

图17-b为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中客车座椅靠背骨架拓扑优化后倾工况加载左视图；

图18-a为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中客车座椅靠背骨架多工况拓扑优化加载主视图；

图18-b为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中客车座椅靠背骨架多工况拓扑优化加载左视图；

图19-a为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中客车座椅靠背骨架多工况正交试验拓扑结果图；

图19-b为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中客车座椅靠背骨架单工况正交试验拓扑结果图；

图20为本实用新型所述的一种客车座椅靠背骨架设计方法中权重比为1:1质量分数为10％时的拓扑结果图；

图中：1.座椅靠背骨架边框，2.座椅靠背骨架上背板，3.座椅靠背骨架下背板，4.座椅靠背骨架左侧边框，5.座椅靠背骨架右侧边框，6.上部横梁，7.销孔，8.中间主干，9.左侧枝干，10.右侧枝干，11.上部通孔，12.中部左侧通孔，13.中部右侧通孔，14.中部中间通孔，15.下部左侧通孔，16.下部右侧通孔，17.横向背部支撑，18.初始优化空间，19.上部“人”字形路径，20.下部横向路径，21.下部左侧纵向路径，22.下部右侧纵向路径。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细的描述：

参阅图2-a与图2-b，本实用新型所述的客车座椅靠背骨架为左、右对称结构件，其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，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均采用钢材制成，座椅靠背骨架上背板2与座椅靠背骨架下背板3均采用点焊方式与座椅靠背骨架边框1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。

参阅图3-a与图3-b，所述的座椅靠背骨架边框1为左、右对称的薄壁管结构件，壁厚2mm，从正视图上看，其正面形状为“倒u形”；从左视图上看，侧面形状考虑乘员乘坐舒适性要求而向前、后经过两处弯折。

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(右、左)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直径为9mm的销孔7，销孔7用于与连接板相连，进而通过连接板与坐垫骨架相连。

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。

实际加工中，所述的座椅靠背骨架边框1采用一根剪裁好的管件经几道压制、压弯与钻孔工艺成批加工成型。

参阅图4-a与图4-b，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。为方便描述座椅靠背骨架上背板2的结构形状，本实用新型使用虚线在正视图上将座椅靠背骨架上背板2划分为中间主干8、左侧枝干9和右侧枝干10，事实上座椅靠背骨架上背板2为一体成型结构件。

所述的中间主干8下部宽度较大，上部宽度较小。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，顶端通过点焊工艺与座椅靠背骨架边框1中的上部横梁6相连接。

所述的左侧枝干9和右侧枝干10是关于中间主干8的对称中线的对称件，左侧枝干9和右侧枝干10的正面形状类似于“平躺”的字母“y”。左侧枝干9的右侧边和右侧枝干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较小，下部分叉的上下长度较大,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，上部分叉和下部分叉的左侧边均为直线边，上部分叉和下部分叉的左侧端部均采用点焊工艺与座椅靠背骨架边框1中的座椅靠背骨架左侧边框4的后侧固定连接；右侧枝干10的形状与左侧枝干9完全对称相等，结构尺寸和连接工艺与左侧枝干9完全相同，此处不再赘述。

座椅靠背骨架上背板2中的中间主干8、左侧枝干9、右侧枝干10以及左侧枝干9和右侧枝干10的上部分叉和下部分叉均为中部宽度小，端部宽度大，这样既有利于轻量化，又能保证连接强度；座椅靠背骨架上背板2的这种枝干结构既能保证合理的传力路径，保证安全性，又能最大程度实现轻量化；座椅靠背骨架上背板2整体采用冲裁成型工艺制成。

从左视图上看，座椅靠背骨架上背板2为曲面板结构件，其纵向曲率为0.0013mm^-1。此外，左侧枝干9和右侧枝干10的上部分叉和下部分叉结构在横向上也存在一定曲率，上部分叉结构横向曲率为0.00023mm^-1，下部分叉结构横向曲率为0.00032mm^-1。

参阅图5-a与图5-b，所述的座椅靠背骨架下背板3同样为左、右对称的板类结构件，板厚为0.8mm。从正视图上看，座椅靠背骨架下背板3上设置有6个形状各异、大小不一的通孔；其中：

所述的上部通孔11形状近似为左、右对称的五边形通孔，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近似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2个通孔，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、向前弯折形成的下背板左侧翻边与下背板右侧翻边的中部均设有“豁口”，其目的是为了减重。座椅靠背骨架下背板3上设置的6个通孔能够有效减轻座椅靠背骨架重量，且余下材料所形成的传力路径能够有效地传递碰撞载荷，保证座椅安全性，上部通孔11上方的横向背部支撑17能够对乘客背部提供有效支撑，提高座椅舒适性。座椅靠背骨架下背板3整体采用冲裁工艺成型。

从左视图上看，座椅靠背骨架下背板3为具有一定纵向曲率的曲面板结构件，座椅靠背骨架下背板3的纵向曲率为0.0011mm^-1，且座椅靠背骨架下背板3的左侧翻边和右侧翻边的前端边的结构形状与座椅靠背骨架边框1中的座椅靠背骨架左侧边框4和座椅靠背骨架右侧边框5的中、下端结构形状相同，便于通过点焊将座椅靠背骨架下背板3连接在座椅靠背骨架边框1的下端上。

参阅图6，为了获得上述客车座椅靠背骨架，本实用新型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

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

参阅图7，根据gb13057-2014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(对客车地板施加满足法规要求的加速度-时间曲线)、输出信息定义(定义需要输出的动画、接触载荷、节点位移、单元应力信息)，从而建立图7所示的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

参阅图8，根据gb13057-2014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(对辅助座椅施加满足法规要求的加速度-时间曲线)、定义输出信息(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)，从而建立图8所示的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

参阅图9，在madymo软件的耦合模块couplingassistant中，导入客车座椅有限元模型和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，从而将图7所示的客车座椅有限元模型和图8所示的假人及辅助座椅多刚体模型进行耦合得到图9所示的客车座椅-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couplingassistant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

计算结束后，在windows系统下将计算生成的kn3文件导入hyperview软件，在hyperview软件中观察仿真动画，查看假人躯干和头部向前位移是否超过辅助座椅r点前1.6m的横向垂面，座椅是否发生严重变形或断裂分离；在windows系统下将计算生成的injury文件导入hypergraph软件，使用hypergraph软件绘制并输出假人头部、腿部载荷-时间曲线，读取假人腿部伤害值fac；在windows系统下将计算生成的d3plot文件导入ls-dyma软件的后处理模块，使用ls-dyma软件的后处理模块绘制并输出假人头部、腿部以及客车地板的位移-时间曲线，使用originpro软件绘制并输出假人头部、腿部与客车地板的相对位移-时间曲线；在windows系统下从计算生成的peak文件中读取假人头部伤害值hic和胸部伤害值thac。

假人头部伤害值hic、胸部伤害值thac和腿部伤害值fac用于判断该客车座椅在前倾工况下的安全性是否满足法规要求。假人头部、腿部载荷-时间曲线，假人头部、腿部与客车地板的相对位移-时间曲线用于绘制后续优化设计所需的假人头部、腿部载荷-相对位移曲线。

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gb15083-2006中对座椅靠背静强度试验的规定，使用有限元仿真软件hypermesh在图7所示的前倾工况客车座椅有限元模型的基础上，修改边界条件(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。

2.建立客车座椅靠背骨架拓扑优化模型

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

在初始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、腿部与客车地板的相对位移-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；

3.设置拓扑优化参数并提交计算

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。

4.拓扑结果工程解读

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(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。

5.客车座椅靠背骨架结构设计及安全性验证

根据步骤4“拓扑结果工程解读”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gb13057-2014规定的客车座椅动态试验要求和gb15083-2006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。

实施例

本实施案例中的客车座椅靠背骨架初始重量为7.72kg，整椅骨架初始重量为29.46kg。在该客车座椅模型的基础上，利用本实用新型中的设计方法，对该款客车座椅进行多工况安全性和轻量化设计。

1、初始客车座椅安全性仿真分析

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

参阅图7与图10，参考gb13057-2014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(对客车地板施加图10所示的加速度-时间曲线)、输出信息定义，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

参阅图8与图10，参考gb13057-2014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(对辅助座椅施加图10所示的加速度-时间曲线)、定义输出信息，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

参阅图9，使用madymo软件的耦合模块couplingassistant将图7所示的客车座椅有限元模型和图8所示的假人及辅助座椅多刚体模型进行耦合得到图9所示的客车座椅-假人耦合模型；

(2)提交计算并进行后处理

a.提交计算

将耦合生成的k文件和xml文件在linux系统下提交计算；

b.后处理

参阅图11-a、图11-b、图12-a、图12-b及表1，在linux系统下完成计算后，使用windows系统下的hyperview软件观察仿真动画，假人躯干和头部的任何部分向前位移未超过辅助座椅r点前1.6m的横向垂面，座椅未发生严重变形或断裂分离；使用windows系统下的hypergraph软件绘制并输出假人头部、腿部载荷-时间曲线(此处以无安全带约束时假人头部曲线为例，见图11-a和图11-b)，读取假人腿部伤害值fac(见表1)；使用windows系统下ls-dyma软件后处理模块和originpro软件绘制并输出假人头部、腿部与客车地板的相对位移-时间曲线(此处以无安全带约束时假人头部曲线为例，见图12-a和图12-b)；在windows系统下从计算生成的peak文件中读取假人头部伤害值hic和胸部伤害值thac(见表1)。

表1前倾工况假人各部位伤害值

无安全带约束情况下左右假人头部hic值均超过法规限值500，有安全带约束时满足法规要求。一般情况下无安全带约束时满足法规，则有安全带时也满足法规。因此对于前倾工况，本实用新型只针对无安全带约束的情况进行优化，但在最终安全性验证时对无安全带和有安全带约束的情况均进行验证。

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

参考gb15083-2006中对座椅靠背静强度试验的规定，使用有限元仿真软件hypermesh将前倾工况下客车座椅有限元模型中对客车地板施加的加速度-时间曲线删除，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，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，动画表明后倾工况满足法规要求，座椅靠背、座椅固定装置、调节装置、移位折叠装置均未发生失效，能承受所加载荷。

2、建立客车座椅靠背骨架拓扑优化模型

1)确定设计域和非设计域

参阅图13，初始客车座椅骨架结构如图所示。由于gb13057-2014的动态试验和gb15083-2006的静强度试验均对座椅靠背强度要求较高，两种工况下客车座椅靠背均为主要承力结构，且考虑到座椅靠背骨架边框管件改进空间不大，因此定义客车座椅靠背骨架背板区域为设计域，座椅靠背骨架边框1及坐垫骨架等其余区域为非设计域。

2)建立初始优化空间

参阅图14-a与图14-b，在图13所示的初始客车座椅靠背骨架结构基础上，将设计域即座椅靠背骨架背板区域的材料全部填充，建立图14-a与图14-b中的初始优化空间18。

3)工况加载

(1)前倾工况加载

参阅图15-a与图15-b，将图11-a与图11-b中的假人头部载荷-时间曲线和图12-a与图12-b中的假人头部与客车地板的相对位移-时间曲线整合为假人头部载荷-相对位移曲线，取x向载荷峰值时间范围为96ms-132ms，根据式(1)计算得头部x向等效静载px为982kn；取z向载荷峰值时间范围为80ms-122ms，根据式(1)计算得头部z向等效静载pz为171kn；y向载荷较小，可忽略不计；

参阅图16-a与图16-b，在靠背骨架背板与假人头部接触区域均匀施加x向和z向等效静载，接触区域节点个数为93，故对每个接触节点x向正方向施加大小为11kn的载荷，z向负方向施加大小为2kn的载荷，约束座椅靠背骨架边框管件下端节点的六个自由度；假人腿部等效静载计算方法和加载方法与头部相同。

(2)后倾工况加载

参阅图17-a和图17-b，参考gb15083-2006，对座椅靠背骨架施加相对于座椅r点530nm的力矩，约束同前倾工况；

参阅图18-a和图18-b，客车座椅靠背骨架多工况拓扑优化的工况加载施加完毕。

3.设置拓扑优化参数并提交计算

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的应变能最小，在优化目标中设置前倾工况和后倾工况的权重比分别为100:1，20:1，1:1，1:20，1:100，并且分别设置了两种工况单独存在时的单工况。

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分别不超过10％，20％，30％，40％，50％。

4)提交计算

在拓扑优化仿真软件genesis中提交计算。

参阅图19-a和图19-b，客车座椅靠背骨架多工况和单工况正交试验拓扑结果如图所示。

4、拓扑结果工程解读

1)相同权重比，比较不同质量分数拓扑结果

(1)参阅图20，观察权重比为1:1，质量分数为10％时的拓扑结果，确定最重要的传力路径；为方便描述各传力路径，本实用新型使用虚线在图20上将拓扑结果得到的传力路径划分为上部“人”字形路径19、下部横向路径20、下部左侧纵向路径21和下部右侧纵向路径22。

对于前倾工况来说，最重要的传力路径是上部“人”字形路径19和下部横向路径20，“人”字形路径的出现归因于头部加载力，下部横向路径的出现归因于腿部加载力；

对于后倾工况来说，最重要的传力路径是下部左侧纵向路径21与下部右侧纵向路径22；后倾加载点位于座椅靠背骨架边框1的上部横梁5的中间位置，此时可通过座椅靠背骨架边框1及下部左侧纵向路径21和下部右侧纵向路径22来传力。

(2)参阅图19-a和图19-b，观察质量分数的改变对传力路径的影响。质量分数增加时，拓扑结果总表现为先加宽原有路径，当加宽到一定程度时便出现了新的传力路径，证明此时增加新路径的效果要优于继续加宽已有路径。质量分数继续增加，新路径继续加宽，加宽到一定程度又会出现新的传力路径，新路径的重要程度低于先前出现的路径。

2)相同质量分数，比较不同权重比拓扑结果

(1)参阅图19-a与图19-b，当前倾工况与后倾工况权重相同时，前倾所有传力路径保留，后倾传力路径中只保留了上部的横向路径。

(2)参阅图19-a与图19-b，当前倾工况权重较大时，多工况拓扑优化结果与前倾单工况拓扑结果几乎相同，未出现后倾工况中的传力路径,原因是后倾工况仅依靠座椅靠背骨架边框1也可传力。因此可以认为前倾工况权重较大时，前倾工况“包含”后倾工况。

(3)参阅图19-a与图19-b，当后倾工况权重较大时，多工况拓扑优化结果与后倾单工况拓扑结果大致相同，但比后倾结果多了前倾工况中的下部横向路径，该路径归因于腿部加载力。即使在后倾工况权重达到100时，仍然出现了该路径，证明该路径极为重要，只要优化目标中包括前倾工况，就应该保留该路径，即后倾工况“不能包含”前倾工况。

3)确定客车座椅靠背骨架优化方案

参阅图2-a和图2-b，综合以上对客车座椅靠背骨架的拓扑优化分析以及不同权重比不同质量分数的拓扑结果分析，考虑客车座椅靠背骨架设计时前倾工况和后倾工况安全性都要满足，因此前倾工况中最重要的上部“人”字形路径、下部横向路径和后倾工况中最重要的下部两侧纵向路径都要保留；然后考虑客车座椅靠背骨架设计的轻量化目标(最大设计质量)为7kg，按照传力路径的重要程度由高到低依次添加下部中间“x”形路径、上部横向路径，并适当加宽原有路径；最后考虑到座椅舒适性背部支撑的要求，增加了横向背部支撑17；本实用新型确定的客车座椅靠背骨架结构优化设计方案如图所示。

5、客车座椅靠背骨架结构设计及安全性验证

参阅表2，根据步骤4“拓扑结果工程解读”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，将优化设计后的客车座椅靠背骨架替换初始模型中的靠背骨架，重新进行计算，分别验证优化设计后的客车座椅在前倾工况和后倾工况下的安全性。

前倾工况安全性仿真分析过程中，有安全带与无安全带约束下，假人躯干和头部的任何部分向前位移均未超过辅助座椅r点前1.6m的横向垂面，客车座椅均未发生严重变形或断裂分离，且乘员伤害(见表2)均低于法规限值。后倾工况安全性仿真分析过程中，座椅靠背、座椅固定装置、调节装置、移位折叠装置均未发生失效，且能承受所加载荷。故优化设计后的客车座椅满足法规要求。

表2优化设计后前倾工况假人各部位伤害值

优化设计后客车座椅靠背骨架重量为6.99kg，减重约9.5％；优化设计后整椅骨架重量为28.04kg，减重约4.8％。由于客车座椅数量众多，故本实用新型所述的客车座椅靠背骨架及其设计方法对于实现客车轻量化具有显著效果。