摘要：随着我国经济在快速发展，社会在不断进步，汽车在我国得到了快速发展，汽车座椅是汽车的主要零部件，运用复合材料进行座椅骨架设计具有积极意义．使用ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ软件中复合铺层优化的方法对汽车后排座椅骨架铺层结构进行优化，针对靠背骨架、坐垫骨架和背板采用复合材料多阶段联合优化方法（自由尺寸优化、层叠尺寸优化和层叠次序优化）求解最适合的铺层方案，并进行强度校核．根据国家标准进行行李箱冲击试验仿真，分析座椅安全性．结果表明，结构优化后的模型相对于原铺层质量减轻１３．６％，且完全满足行李箱冲击试验的强度要求，为复合材料后排座椅行李箱冲击试验提供参考．
关键词：复合材料；汽车座椅；轻量化
引言
在我国汽车产业飞速发展的同时，能源安全、节能减排已经成为汽车产业可持续发展所面临的重要问题。国家出台了一系列的政策法规，对汽车的能耗和排放指标均进行了严格的限制，而汽车轻量化正是解决上述问题，满足政策及市场需求的重要手段。碳纤维复合材料（CarbonFiberReinforcedPoly?mer/Plastic，CFRP）以其优异的机械性能、抗疲劳性能以及远低于金属的密度条件，成为了汽车轻量化的首选材料。但是，目前90%以上的汽车用碳纤维复合材料均采用热固性树脂体系，这类材料存在回收困难、固化周期长等问题，对满足《汽车有害物质和可回收利用率管理要求》将造成较大影响。为此，热塑性碳纤维复合材料就成为解决这一问题的有效手段。连续纤维增强热塑性复合材料具有较好的机械性能，目前多通过模压工艺实现成型，但是，受工艺特性限制，无法满足一些特殊结构的成型要求。对于这类复杂结构，目前多采用注塑成型的方式，但使用的纤维长度仅3mm左右，制品的机械性能较差，较难满足车身结构件的使用要求。如果将模压工艺与注塑成型的方式结合起来，以连续纤维增强热塑性复合材料为骨架，并通过注塑成型的方式实现复杂结构的成型，则可同时满足汽车零部件对性能和结构的需要，进一步拓展热塑性复合材料在汽车结构件上的应用。
1汽车轻量化的重要性
汽车的轻量化是指在汽车的安全性能以及强度均能够得到保障的基础上，最大限度地将汽车整体的重量降低，进而增强汽车的动力性，并降低排放及燃料的消耗量。根据相关试验可知，汽车的燃油量与汽车被本身的重量有最直接的关系，汽车每减轻100kg的质量，其百公里的燃油消耗量便可降低0.2～0.8L，通常约为原消耗量的4.5%。因此，现阶段在汽车发展逐渐偏向环保、节能的背景下，现代汽车在其设计及制造过程中，汽车的轻量化具有极为重要的意义。汽车座椅是汽车众多内饰部件中极为重要的一件。根据调查显示，汽车座椅的重量在整个车身中占据1.5%～2%的比重。虽然汽车座椅在车身总重量中占据的比例不大，然而，其作为汽车内部重量较大且也是极为重要的部件之一，在整辆车的轻量化过程中所贡献的力量不容小觑。汽车座椅是整个汽车设计过程中比较繁琐的部件之一。汽车座椅的设计过程必须从多方面考虑，如安全性、造型的美观性、功能多样性及舒适性等，必须建立在符合汽车传统座椅要求的前提下，才能够实行汽车座椅的轻量化设计，降低汽车座椅重量的同时，汽车座椅的各项基本性能必须能够得到保证，尤其是座椅的安全性。汽车座椅的轻量化设计在这些要求的影响下变得更加具有挑战性，也更加值得人们对其进行研究。
2复合材料汽车座椅靠背提高乘客安全性
2.1变厚度设计
根据座椅横梁受力需求及原钣金件结构，对复合材料座椅横梁进行了变厚度设计。座椅横梁钣金件的左右两侧，横梁本体与加强件有较大区域的重叠结构，并通过焊接方式构成封闭截面，因此整体结构刚度更高，改为复合材料结构后需要增加铺层厚度，以满足性能需求；横梁中间区域仅由横梁本体构成，为单层钢板结构，刚度较低，可以适当减少铺层厚度，降低材料质量和成本。其中左侧和右侧为加厚层，本体壁厚为4.05mm，共23层；中段为减薄层，本体壁厚为3.55mm，共21层；注塑区域壁厚为2mm。
通过进行结构优化设计，复合材料座椅横梁的总体质量为1.23kg，与原钣金件的1.82kg相比，实现减重30%以上。
2.2复合材料后排座椅靠背骨架层叠尺寸优化
在第二阶段的优化系统中，可变的设计变量为坐垫骨架、靠背骨架和背板的４个方向的层叠尺寸和铺层厚度．层叠尺寸优化过程中的约束条件包括各工况所对应的位移、质量约束和复合材料的制造工艺约束，目标函数依旧沿用自由尺寸优化中的最小加权柔度，目标函数设置为座椅质量最小．同时，依据工程经验，单层板的厚度往往为０．１２５ ｍｍ，因此，对单层板厚度施加的制造工艺约束即为０．１２５ ｍｍ，最终优化后的各角度铺层厚度都为０．１２５ ｍｍ的整数倍．层叠尺寸优化数学模型为
式中：ρｋ为材料密度；νｋ为座椅骨架体积． 层叠尺寸优化在Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ中求解，座椅骨架各个部分的总厚度，０°、＋４５°（＋４５°和－４５°厚度相等，文中只给出＋４５°）和９０°经过层叠尺寸优化后，坐垫骨架、靠背骨架和背板的铺层厚度即可确定，为下一步层叠次序优化提供基础．柔度变化曲线整体呈现下降趋势，然后趋于平稳．经过４次迭代，挠度值从１ ０８１．５ ｍｍ／Ｎ降至１ ０５０．８ ｍｍ／Ｎ，表明座椅骨架刚度逐渐上升．
2.3提高座椅的使用期限与安全性
复合材料的抗疲劳性较高，它具有较多的基体，它的疲劳断裂不会在突然之间爆发出来，而是由基体到集体界面以及纤维上缓慢的扩展开来。因此，人们能够提前发现复合材料的损坏，并及时针对其采取相应的补救措施，有效地提高了座椅的使用寿命。除了抗疲劳性之外，复合材料还具有稳定的安全性，假如发生超载现象的部件选用这种材料制成，汽车座椅的作用不会立即消失，而是先断裂少量的纤维，负载会在这时重新进行快速分配并传递至未受到损坏的纤维上，这样在短时间内整个构件便不会被重物击垮。
2.4保持座椅各种性能的稳定
复合材料的众多特点中较为显著的为高比刚度及高比强度，其性能具有较宽的变化范围，根据纤维材料、纤维含量及铺陈方向的不同，所设计出的产品强度指标、阻燃性能及弹性模量也不同。在某种铺层方式下的复合材料，将材料向一方向拉伸时，材料能够在垂直于拉伸方向上也获得伸长，这种性能与常用材料完全不同。汽车座椅在其设计过程中应选用易于设计且能够维持性能稳定的材料，复合材料便能够在灵活设计出不同形状的同时保持其各方面性能的稳定。
结语
通过本项目，积累了有效的仿真分析、结构设计及工艺验证经验，并建立了相关标准规范，可有效推进热塑性复合材料体系在汽车产业的应用进程，可更好的满足自主品牌车型、特别是新能源车型的轻量化需求。
参考文献
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