1 概述

       ECER14是关于汽车安全带固定点认证的统一规定，适用于M类和N类车辆的前向和后向座椅用于成年乘员的安全带安装固定点。（注，本文未涉及第一排座椅及ISOFIX限制系统的研究）

       在项目研发阶段，通常会采用有限元方法考察其性能，并且针对其结果表现进行优化。

       在前期设计阶段拓扑优化对结构设计，尺寸优化对细节设计均有指导意义。

2 R14有限元模型的建立

       本文依据法规要求建立ECER14的显示计算模型，以Radioss为求解器进行计算。计算模型以及胸块腰块加载示意见图1。本次仅对第二排工况做仿真计算。连接安全带固定点的牵引装置加载1350daN。加载曲线见图2。腰块上施加力为座椅总成质量的20倍。

       要求：1.试验后头部约束系统不超过限制面。2.没有结构失效。
   
3 计算结果分析

       对于计算结果，分析了结构变形，材料应力应变，焊点破坏风险等。

       图3从多种角度观察结构变形，图4为关键材料的应力应变。
 
       从计算结果分析，变形符合试验要求，各主要部件没有材料断裂损坏。另外，根据工艺部门和产品部门的要求，作为连接座椅和地板的主要承载部件Podium系统有减重要求，Podium原始方案及质量见图5。

       这就提出了在减重的基础上优化目前结构和保证性能符合要求。
   
4 优化过程

       4.1 拓扑优化

       为了降低Podium子系统的质量，我们尝试用OptiStruct软件的topology功能作为手段为Podium子系统创建新的拓扑结构。

       为此，我们根据座椅和地板的总布置位置创建了VOLUME作为设计空间。以此来作为调整单元密度的空间边界条件。见图6。
 
       并且，提取原始模型里Podium各安装点的螺栓力作为载荷工况。（Podium作为一个子系统，通过连接螺栓受到系统外施加的载荷）。

       对子系统进行线性计算，求出各安装点的变形量。

       图7为各安装点位置示意。
 
       以上为本次拓扑优化的输入条件，优化的目标是减少使用的材料。但是，减小材料后可能会导致模型刚度的降低以及变形加剧。因此，优化过程中以各安装点的static displacement作为响应的约束条件。以最小化质量为目标进行拓扑优化。

       主要优化参数见下表1。拓扑结果见下图8。根据拓扑结果重新设计了新的Podium几何，见图9。
     
       4.2 尺寸优化

       根据新的拓扑结果以及原始的材料信息，重新进行ECER14非线性计算来验证性能。

       从计算结果分析，左右两侧安全带上固定点位置钣金有失效风险。见图10。
   
       为了降低材料风险，并进一步优化材料厚度，我们针对细节进行尺寸优化。本次优化以Podium系统内各部件作为设计变量，见下图11，规定了各部件厚度的lower bound和upper bound。并且根据对称要求设置了设计变量相关Desvar link。定义体积和各部件的strain为响应。将各部件的Rupture limit作为约束条件，并设置upper bound。目标函数是最小化质量。

       各部件主要优化参数见下表2。
 
       根据新的拓扑结果以及原始的材料信息，重新进行ECER14非线性计算来验证性能。结果显示各部件材料没有失效风险。焊点受力在可接受范围。

       由于6号零件（后边的梁）是中间断开的，所以两侧和中间共4个螺栓的力较大，有失效风险。从减小两端螺栓力的角度考虑，重新设计将其连接起来，并在两端螺栓位置加了补强件。见图12。
 
5 结论

       经过优化后，子系统的质量为9Kg。与优化之前相比节省了12%的质量。通过OptiStruct软件的运用，对Podium子系统进行了拓扑和尺寸优化，对Podium子系统初始阶段的设计和各部件厚度的选择提供了参考，减少了手工优化的工作量和计算时间。OptiStruct的优化功能能够很好的应用在法规项的分析上，体现出建模快捷、灵活的特点。

       由于螺栓力较为敏感且变化较大，在拓扑和尺寸优化后，对于部分螺栓位置采用手工方式优化性能。

6 参考文献

       [1] OptiStruct_12.0_User_Guide 
       [2] OptiStruct_12.0_Reference_Guide