滑移門止動彈簧片強度計算與疲勞壽命預測

黃紅端，袁代敏，韋超忠，陸毅初

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007；2.廣西艾盛創制科技有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

滑移門止動機構是為了使車門完全打開后要施加一定的外力后才能把門關上，即在人員上下車時，滑移門不會因為路面不平或其他原因而自動關閉。彈簧片作為滑移門止動機構中的關鍵零件，起到限位作用，同時也輔助提升整車動態感官性能[1-2]。斷裂是止動彈簧片常見的失效形式，在技術改進和研究開發中，了解這種破壞形式對車輛零部件強度的影響具有重要意義。本文作者建立彈簧片的等效力學計算模型和止動機構三維有限元計算模型，對彈簧片進行強度校核及驗證強度理論計算公式的正確性。同時結合工程實例，對彈簧片進行疲勞壽命預測分析，為彈簧片的后續設計和改進提供理論依據。

1 滑移門止動機構的工作原理

滑移門止動機構的結構如圖1所示，滑移門止動機構由彈簧片支架和止動彈簧組成，其中彈簧片支架通過2個螺栓安裝在滑移門下導軌上，止動彈簧片通過鉚釘固定在彈簧支架上。滑移門打開過程中，限位輪壓過彈簧片。當限位輪滾過彈簧片最高位置后，由于限位輪擠壓，彈簧片將會產生縱向彎曲變形。

圖1 滑移門止動機構示意

2 彈簧片力學性能

表1給出彈簧片材料基本力學性能參數。

表1 彈簧片力學性能

3 彈簧片強度理論計算

為求得彈簧片最大應力值，建立止動機構彈簧片力學計算模型，可以簡化為一端固定，一端簡支約束的等截面梁力學計算模型[3-4]，如圖2所示。

圖2 止動機構彈簧片力學計算模型

根據力學理論知識可知，當x=a時，撓度為

(1)

故有

(2)

彎矩為

(3)

根據材料力學，梁截面上彎曲正應力的計算式為

(4)

式中：ymax為橫截面中性層到梁表面的距離，m；Iz為橫截面對z軸(中性層)的慣性矩，m4。

將式(2)、式(3)代入式(4)得

(5)

式中：E為彈性模量，E=2.067×1011Pa；h為梁截面高度，m。

根據式(5)求得彈簧片最大應力值σmax=467 MPa<σs，滿足強度要求。

4 滑移門止動機構有限元分析

本文作者以HyperMesh v13.0為前處理器，以ABAQUS 6.10為求解器并以HyperView v13.0為后處理器，對滑移門止動機構進行強度分析，從而對彈簧片等效力學模型強度理論計算公式正確性進行對比分析。

4.1 有限元模型建立

根據滑移門止動機構CAD數模建立有限元模型，如圖3所示。止動機構主要由不同厚度的薄板件構成，通常采用殼單元對它進行離散化。網格大小選擇4 mm，重要區域適當加密，鉚接采用梁單元與rigid單元模擬。模型節點總數為2 055個，單元總數為1 951個。彈簧片支架材料采用彈性材料模擬，限位輪采用剛性體模擬，彈簧片材料采用彈塑性材料模擬，并根據材料的應力-應變關系定義材料應力-應變曲線。

圖3 滑移門止動機構有限元模型

4.2 有限元結果與理論值對比分析

根據滑移門止動機構工作原理，在有限元分析軟件ABAQUS 6.10中設置限位輪與彈簧片、彈簧片支架接觸，對限位輪進行加載位移仿真分析。從材料力學中的疲勞強度定義可知彈簧片的彎曲應力即為彈簧片的疲勞強度，即彈簧片限位部位的抗疲勞折斷能力。因此根據第三強度理論，可將用有限元軟件得到的von Mises應力值等效為彈簧片的彎曲應力。彈簧片的von Mises應力云圖如圖4所示。彈簧片最大彎曲應力為502 MPa，發生在滾輪限位頂點位置處，小于材料的屈服強度，滿足工程設計要求。彈簧片等效梁理論計算值與有限元值如表2所示,相對誤差為6.9%，滿足工程設計精度要求。說明文中提出的強度等效力學計算模型能夠較為準確的預測滑移門止動機構彈簧片受力過程中的最大應力值，為彈簧片壽命試驗的應力幅值設定提供理論參考。

圖4 止動彈簧片von Mises應力云圖

表2 彈簧片最大應力理論值與有限元值對比

5 彈簧片疲勞壽命預測

零部件會受到各種交變載荷作用，這種交變載荷一般低于拉伸強度極限，在其反復作用下零部件會發生裂紋萌生和擴展現象，并導致零部件突然斷裂，這種現象稱為疲勞破壞[3]。自19世紀中葉以來，疲勞分析和設計的標準都是以應力為基礎，這種方法也被稱為應力-壽命或S-N方法。由于受加工及零件外形影響，零件與標準試件的S-N曲線會有一定誤差，所以需要對彈簧片零件進行臺架試驗，計算并得到零件的S-N曲線，進行壽命預測。

5.1 S-N曲線

根據S-N疲勞實驗數據，繪制外加應力與疲勞壽命的雙對數坐標曲線圖，y坐標表示應力幅值，x表示疲勞循環次數。典型的S-N方程為

(6)

在S-N實驗中，一旦收集到有限壽命區域的疲勞壽命數據，就可以采用最小二乘法來生成與數據最佳擬合的一條直線[5]。最小二乘法回歸模型為

(7)

對式(6)兩邊取對數得

(8)

故有

(9)

(10)

5.2 實例分析

在滑移門止動機構可靠性研究中，對12個構件進行臺架耐久實驗。滑移門止動機構實物如圖5所示。通過測量得到止動彈簧片與彈簧片支架高度h1測量數據，如表3所示。止動機構零件臺架耐久實驗如圖6所示。根據式(5)求得各彈簧片臺架實驗疲勞耐久應力幅值，表4給出了有限壽命區域內的疲勞實驗數據，止動彈簧片斷裂失效位置如圖7所示。

圖5 滑移門止動機構實物

表3 止動彈簧片與彈簧片支架高度h1測量數據 mm

圖6 止動機構零件臺架實驗

表4 止動彈簧片零件S-N疲勞實驗數據匯總

圖7 止動彈簧片斷裂失效

因此，止動彈簧片零件S-N曲線的方程為

(11)

從公式(11)可以估算出止動機構彈簧片的壽命次數大約為9.65萬次，與設計要求10萬次壽命相差不大，滿足性能要求。

6 結束語

建立了滑移門止動機構彈簧片的強度等效力學計算模型，并通過有限元仿真方法驗證了力學模型的準確性；同時，基于彈簧片疲勞耐久試驗數據建立相應的S-N曲線方程，預測彈簧片疲勞壽命，滿足壽命設計要求。