楊啟梁,張新林,胡 溧,金 杭
(1.武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,湖北 武漢 430081;2.東風(fēng)安道拓汽車座椅有限公司,湖北 武漢 430058)
座椅是汽車車身重要的組成部分之一,同時(shí)也是汽車安全部件的重要部分,其主要功用是為了提供支撐確定位置,讓乘員在駕乘過(guò)程中能夠感到舒適,并且起到保護(hù)的作用,在突發(fā)情況下保證乘員不受到身體傷害,座椅強(qiáng)度及疲勞的研究是極其必要的,而座椅的強(qiáng)度取決于座椅骨架,骨架各部分均是焊接而成,因此焊縫在座椅強(qiáng)度及疲勞研究中起到非常關(guān)鍵的作用。
在對(duì)焊縫疲勞研究方面,文獻(xiàn)[1-2]對(duì)車架及其連接焊縫的疲勞進(jìn)行了研究,分別對(duì)比了rigid、weld、pshell單元模擬焊縫時(shí)的強(qiáng)度和對(duì)車架疲勞壽命的影響,最終采用pshell單元進(jìn)行疲勞分析,其焊縫主要形式為直焊縫,焊縫形式相對(duì)比較簡(jiǎn)單,沒(méi)有考慮到實(shí)體單元對(duì)焊縫模擬的影響;文獻(xiàn)[3]從試驗(yàn)的角度分別采集各個(gè)連接焊縫在振動(dòng)條件下的應(yīng)力數(shù)據(jù),采用miner累計(jì)損傷理論對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行雨流計(jì)算,最終計(jì)算出各個(gè)焊縫的在振動(dòng)環(huán)境下的壽命值,但是缺少試驗(yàn)驗(yàn)證,無(wú)法精確預(yù)估實(shí)際產(chǎn)品在該環(huán)境下的壽命;文獻(xiàn)[4]采用VOLVO方法得到了整個(gè)焊縫的損傷和壽命分布,但是并沒(méi)有計(jì)算出具體的壽命值,只是揭示了損傷分布;文獻(xiàn)[5-6]結(jié)合焊縫S-N疲勞曲線進(jìn)行減振器支架壽命分析,并分析了焊縫的長(zhǎng)度變化對(duì)減振器壽命的影響,但是缺乏對(duì)焊縫自身的材料屬性的研究。針對(duì)上述研究的不足,在焊縫單元選擇中加入了對(duì)實(shí)體單元的驗(yàn)證分析,結(jié)合試驗(yàn)?zāi)B(tài)和仿真模態(tài)對(duì)焊縫材料屬性進(jìn)行了定義,并且采用Miner方法和Goodman應(yīng)力修正方法對(duì)焊縫壽命進(jìn)行分析。
在座椅骨架的疲勞強(qiáng)度研究方面,文獻(xiàn)[7-8]考慮了使用工況和道路耐久對(duì)座椅骨架產(chǎn)生的疲勞損傷,開(kāi)發(fā)室內(nèi)座椅骨架臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)座椅骨架的疲勞強(qiáng)度做出評(píng)價(jià),但是并為對(duì)骨架的焊縫進(jìn)行進(jìn)一步研究;文獻(xiàn)[9]僅建立了座椅骨架的有限元模型,對(duì)座椅結(jié)構(gòu)中焊接、螺釘連接、銷連接等連接方式進(jìn)行了簡(jiǎn)化,采用的剛性連接,對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞及靜強(qiáng)度進(jìn)行了相關(guān)分析,并沒(méi)有針對(duì)焊縫等關(guān)鍵部位進(jìn)行仔細(xì)的研究。針對(duì)目前座椅骨架疲勞強(qiáng)度研究的短板,對(duì)座椅骨架連接焊縫建立了比較精確的模擬單元,并且精確地計(jì)算焊縫的壽命,很好的彌補(bǔ)了上述研究的缺陷,對(duì)于座椅的設(shè)計(jì)研發(fā)具有重要意義。
根據(jù)名義應(yīng)力法,對(duì)焊縫的壽命進(jìn)行疲勞計(jì)算,具體的分析流程如下:
(1)對(duì)座椅骨架有限元模型進(jìn)行前處理,建立連接關(guān)系,模擬出焊縫單元,并結(jié)合模態(tài)驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)焊縫材料進(jìn)行賦予;
(2)在Hyperworks中進(jìn)行靜力計(jì)算,獲取載荷分布,得出危險(xiǎn)焊縫位置;
(3)在Ncode中輸入靜力計(jì)算的有限元應(yīng)力結(jié)果,提取危險(xiǎn)焊縫的應(yīng)力,結(jié)合焊縫形式及受力狀況,選取Goodman應(yīng)力修正方法對(duì)其應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行修正;
(4)根據(jù)焊縫已經(jīng)賦予的材料屬性,進(jìn)行強(qiáng)度預(yù)估,賦予其相應(yīng)的S-N曲線;
(5)根據(jù)線性累積損傷理論計(jì)算各級(jí)應(yīng)力的損傷之和,并估算出焊縫的疲勞壽命,準(zhǔn)確預(yù)估焊縫疲勞壽命的關(guān)鍵是準(zhǔn)確地確定各級(jí)應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)及對(duì)應(yīng)的壽命值。
通常所說(shuō)的疲勞壽命是指零件失效時(shí)所經(jīng)受的應(yīng)力或應(yīng)變的循環(huán)次數(shù)。常見(jiàn)的疲勞分析方法有應(yīng)力疲勞分析、應(yīng)變疲勞分析、裂紋擴(kuò)展分析、振動(dòng)疲勞分析。根據(jù)汽車座椅在實(shí)際使用過(guò)程中的受力特性,受力點(diǎn)主要集中在靠背、頭枕、安全鎖支架位置,簡(jiǎn)化到座椅骨架的焊縫上其主要承受的力的形式為壓力和拉力,所以采用的方法是應(yīng)力疲勞分析的方法,結(jié)合應(yīng)力疲勞分析方法,Miner線性累積損傷理論對(duì)其進(jìn)行壽命預(yù)估是最準(zhǔn)確的。
線性累積損傷理論的基礎(chǔ)是假定疲勞損傷和破壞是一個(gè)線性累積的過(guò)程,最終達(dá)到破壞極限值,導(dǎo)致疲勞破壞。其損傷可表示為:

式中:D—疲勞損傷;
N—在某恒幅應(yīng)力水平下S作用下,循環(huán)至破壞的壽命為N;
n—經(jīng)受n次循環(huán)。
顯然,在恒幅應(yīng)力水平S作用下,若n=0,則D=0,構(gòu)件未受損傷;若n=N,則D=1,構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞。
構(gòu)件在應(yīng)力水平下Si下作用ni次循環(huán)時(shí)的損傷為Di=ni/Ni。若在k個(gè)應(yīng)力水平Si作用下,各經(jīng)受ni次循環(huán),則可以定義其總損傷為:

式中:Di—在應(yīng)力Si作用下的疲勞損傷;
Ni—在應(yīng)力Si作用下,循環(huán)至破壞的壽命為Ni;
ni—在應(yīng)力Si作用下,經(jīng)受ni次循環(huán)。
若在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的總損傷D<1,構(gòu)件是安全的;若D>1,則構(gòu)件將發(fā)生疲勞破壞,應(yīng)降低應(yīng)力水平或縮短使用壽命。其中ni是在Si作用下的循環(huán)次數(shù),由載荷譜給出;Ni是在Si作用下循環(huán)到破壞的壽命,由S-N曲線確定。
當(dāng)焊縫在受到循環(huán)載荷的情況下,采用線性累積損傷理論的方法計(jì)算焊縫的疲勞壽命為:

式中:ni/n—在應(yīng)力Si下循環(huán)次數(shù)所占總循環(huán)數(shù)的百分?jǐn)?shù)。
座椅骨架主要由主彎管、支撐角板、安全鎖支架、鋼絲組成,各部分之間的連接均是焊接而成,焊縫的形式包括直焊縫、環(huán)焊縫,因此在對(duì)焊縫進(jìn)行模擬時(shí)需要充分的考慮到焊縫屬性對(duì)骨架強(qiáng)度的影響。所以焊縫單元建立的精確性會(huì)直接影響整個(gè)座椅的疲勞壽命狀況,因此需要對(duì)模擬單元進(jìn)行對(duì)比,由于rigid單元無(wú)法對(duì)其賦予材料屬性,其他的1D 單元?jiǎng)偠绕螅圆徊捎?D 單元對(duì)焊縫進(jìn)行模擬。分別采用2D、3D 單元對(duì)焊縫進(jìn)行模擬,主要通過(guò)座椅骨架模態(tài)測(cè)試對(duì)標(biāo)分析來(lái)完成座椅骨架有限元焊縫模型的精度及有效性驗(yàn)證,從而選取較為精確的焊縫單元。
3.1.1 2D單元模擬焊縫有限元模型的建立
座椅骨架及焊縫單元有限元分析模型,用Hypermesh 軟件進(jìn)行前處理,對(duì)骨架各個(gè)部分進(jìn)行焊接單元模擬,扶手、主架彎管、支撐角板等按照設(shè)計(jì)材料進(jìn)行相應(yīng)的屬性賦予,對(duì)關(guān)鍵部位的連接采用2D單元進(jìn)行焊縫模擬,焊縫的屬性根據(jù)焊接部分母材的材料屬性賦予其材料屬性,各部分材料屬性參數(shù),如表1所示。

表1 各零部件的材料參數(shù)Tab.1 Material Parameters for Each Component
主架彎管及鋼絲等采用四邊網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格數(shù)量及節(jié)點(diǎn)數(shù)量,如表2所示。有限元模型的總質(zhì)量為3.637kg,最終建立焊縫的CAE模型,如圖1所示。座椅骨架的整體視圖,如圖1(a)所示。2D單元模擬焊縫的局部示意圖,如圖1(b)所示。

表2 各零部件網(wǎng)格單元參數(shù)Tab.2 Grid Unit Parameters for Each Component
3.1.2 3D單元模擬焊縫有限元模型的建立
座椅骨架主要的各部零件材料屬性保持不變,對(duì)其關(guān)鍵部位的連接采用3D單元(penta單元)進(jìn)行焊縫模擬,各個(gè)零部件之間的連接采用實(shí)體焊縫進(jìn)行連接,各連接處焊接的焊縫數(shù)量共39 條,焊縫網(wǎng)格采用五面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分,主架彎管及鋼絲等采用四面體網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格數(shù)量及節(jié)點(diǎn)數(shù)量,如表3所示。有限元模型的總質(zhì)量為3.986kg,最終建立焊縫的CAE模型,如圖1所示。3D單元模擬焊縫的局部示意圖,如圖1(c)所示。

圖1 座椅骨架CAE模型Fig.1 CAE Model of Seat Skeleton

表3 各零部件網(wǎng)格單元參數(shù)Tab.3 Grid Unit Parameters for Each Component
3.2.1 計(jì)算自由模態(tài)設(shè)置
在完成焊縫單元建立及網(wǎng)格劃分后,檢查所以網(wǎng)格質(zhì)量是否合格,然后進(jìn)行質(zhì)量修改以得到完整精確的有限元模型,在Hypermesh中進(jìn)行設(shè)置求取自由模態(tài),步驟如下:
(1)設(shè)置材料屬性:對(duì)各部分網(wǎng)格單元按照表1所示的材料進(jìn)行材料屬性設(shè)置,焊縫材料根據(jù)焊接的母材及焊絲材料進(jìn)行擬定;
(2)設(shè)置約束條件:求取自由模態(tài),對(duì)骨架的六個(gè)自由度均不做約束,模擬自由條件;
(3)設(shè)置求解范圍:指定求解階數(shù)為20階,頻率范圍不做具體范圍設(shè)定,提交設(shè)置好的文件進(jìn)行求解。
3.2.2 自由模態(tài)計(jì)算結(jié)果
在Hypermesh 軟件中的Optistruct 模塊,采用Block Lanczos法來(lái)提取座椅骨架自由模態(tài)的模態(tài)參數(shù),獲取了座椅骨架的非零前4階模態(tài),由于計(jì)算的自由模態(tài),因此對(duì)座椅骨架的約束自由度為0,即對(duì)其6個(gè)自由度均不進(jìn)行約束;對(duì)各個(gè)零件的材料參數(shù)賦予見(jiàn)表1,在自由邊界條件下進(jìn)行模態(tài)計(jì)算,座椅主要受低階頻率的影響,故提取前四階非零模態(tài),模態(tài)頻率,如表4所示。

表4 座椅骨架自由模態(tài)計(jì)算結(jié)果Tab.4 Seat Skeleton Free Modal Calculation Results
座椅骨架焊縫的疲勞壽命分析需要建立精確的焊縫CAE模型,以減少模型誤差。因此,完成座椅骨架有限元模型搭建之后有必要通過(guò)實(shí)際模型模態(tài)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證模型的可靠性。主要通過(guò)座椅骨架模態(tài)試驗(yàn)對(duì)座椅骨架有限元模型的精度及有效性進(jìn)行校驗(yàn)。
3.3.1 試驗(yàn)條件
試驗(yàn)對(duì)象為某車型后排座椅靠背骨架,該骨架主要由主架彎管、鋼絲、支撐角板等零件組合而成,零件之間的連接方式為焊接。
主要試驗(yàn)設(shè)備:LMS.SCADAS數(shù)據(jù)采集前端,力錘一把,PCB公司的三向ICP型加速度傳感器,配備Test.Lab.14A的高性能計(jì)算機(jī)等。
3.3.2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置
試驗(yàn)的目的為測(cè)得座椅骨架在自由邊界條件下固有頻率與振型。由于座椅骨架質(zhì)量較小,便于懸掛,因此將試驗(yàn)樣件用彈性橡皮筋懸掛在測(cè)試鋼架上進(jìn)行自由邊界條件的模擬,以便測(cè)得更為精確的數(shù)據(jù)。
使用LMS.Testlab 軟件中MIMO FRF Testing 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析。考慮盡量避開(kāi)節(jié)點(diǎn)原則、充分反應(yīng)骨架整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性原則、結(jié)合實(shí)際測(cè)試環(huán)境,骨架被離散成58個(gè)測(cè)點(diǎn)。離散的骨架測(cè)試模型,如圖2所示。

圖2 骨架測(cè)試模型Fig.2 Skeleton Test Model
激勵(lì)信號(hào)一般采用猝發(fā)隨機(jī),猝發(fā)隨機(jī)信號(hào)可以最大限度減小泄露誤差。激勵(lì)點(diǎn)的初步選擇根據(jù)計(jì)算模態(tài)的振型來(lái)確定,一般選擇振型較大部位處的測(cè)點(diǎn),避開(kāi)模態(tài)節(jié)點(diǎn)位置;同時(shí)激勵(lì)點(diǎn)選在能夠使能量傳到車身各個(gè)位置的剛度較大處。激勵(lì)點(diǎn)的最終確定需要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)點(diǎn)測(cè)試,找出能獲得最多階模態(tài)的測(cè)點(diǎn)。基于此,選擇24號(hào)測(cè)點(diǎn)為測(cè)量點(diǎn),同時(shí)在17號(hào)測(cè)點(diǎn)加裝一個(gè)傳感器以避免測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的偶然誤差。為避免傳感器安裝的附加質(zhì)量對(duì)所采集的結(jié)果頻率的影響,傳感器安裝方式采用膠粘的方式。
測(cè)試帶寬根據(jù)試驗(yàn)?zāi)窟x定為1024Hz,頻率分辨率為1Hz。采用錘擊法,垂向敲擊測(cè)點(diǎn),依次遍歷所有測(cè)點(diǎn),每個(gè)傳感器采集一組數(shù)據(jù),同步采集測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向的振動(dòng)響應(yīng)。因兩組測(cè)試數(shù)據(jù)一致,選取其中一組進(jìn)行分析即可。
測(cè)試時(shí),通道超過(guò)量程范圍的數(shù)據(jù)需舍棄,并重新測(cè)定通道量程后再進(jìn)行測(cè)試。每組數(shù)據(jù)在采集時(shí),相干函數(shù)基本在80%以上的信號(hào)為有效,座椅骨架測(cè)試部分布置及傳感器位置,如圖3所示。

圖3 座椅骨架模態(tài)試驗(yàn)Fig.3 Modal Test of Seat Skeleton
3.3.3 計(jì)算自由模態(tài)與試驗(yàn)自由模態(tài)對(duì)比
采集完全部測(cè)點(diǎn)的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)后,基于“最小二乘復(fù)頻域法(LSCF)”對(duì)該殼體的模態(tài)參數(shù)如固有頻率及振型進(jìn)行識(shí)別。并與有限元仿真模態(tài)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證其相關(guān)性,其相對(duì)誤差,如表5所示。

表5 計(jì)算與試驗(yàn)?zāi)B(tài)相對(duì)誤差Tab.5 The Relative Error of Calculation and Test Modal
比較有限元與試驗(yàn)的前四階模態(tài)結(jié)果,3D單元模擬出的焊縫相對(duì)于2D 單元要更為精準(zhǔn),其兩者振型特點(diǎn)基本吻合,頻率相差在10%以內(nèi),因此可以判定所建立的座椅骨架焊縫的有限元模型采用3D單元進(jìn)行模擬是最為準(zhǔn)確的,能夠精確的描述該骨架和焊縫的主要結(jié)構(gòu)力學(xué)特性,可用于座椅骨架焊縫的疲勞計(jì)算及壽命分析中。
根據(jù)座椅實(shí)際使用情況,其主要載荷類型為往復(fù)拉壓受力,因此載荷譜類型選擇R=-1即可(R為載荷譜最大值與最小值的比值),采用最常見(jiàn)的載荷曲線:正弦曲線,在這種載荷下,汽車座椅骨架會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)力,引起疲勞損傷,其破壞形式是疲勞斷裂。受到循環(huán)載荷的影響,在進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算時(shí),須將疲勞載荷譜的大小、循環(huán)次數(shù)與試驗(yàn)相對(duì)應(yīng),這樣才能準(zhǔn)確的反應(yīng)實(shí)際情況的疲勞壽命,才能精確的模擬出焊縫在實(shí)際情況下的失效情況,從而預(yù)估焊縫的疲勞壽命。
焊縫的材料根據(jù)相連接的兩種母材的材料來(lái)進(jìn)行近似模擬,材料為低合金高強(qiáng)度鋼HC500LA 和HC420LA,根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),其抗拉極限分別是560MPa、480MPa,結(jié)合模態(tài)試驗(yàn)對(duì)焊縫材料的確定,焊縫材料的楊氏模量為E=2.168e5,泊松比為u=0.3,密度為7860kg/m3。再結(jié)合Ncode材料庫(kù)對(duì)焊縫材料的S-N(應(yīng)力-壽命)曲線進(jìn)行定義,如圖4所示。

圖4 焊縫材料S-N曲線Fig.4 S-N Curve of Weld Material
在定義好材料相關(guān)屬性以后,根據(jù)在Hypermesh 中計(jì)算所提取的應(yīng)力結(jié)果Ncode 中建立疲勞壽命分析流程,主要分析步驟如下:
(1)導(dǎo)入提取的危險(xiǎn)焊縫靜力分析的應(yīng)力結(jié)果,焊縫位置是主架彎管與支撐角板所連接的位置;
(2)輸入載荷譜曲線,載荷譜與企業(yè)試驗(yàn)載荷譜保持一致,選定的為正弦曲線,周期為3s;
(3)通過(guò)Ncode疲勞求解器進(jìn)行壽命計(jì)算,然后將壽命計(jì)算結(jié)果輸出到壽命云圖和壽命數(shù)值表中。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果能夠得到各個(gè)焊縫處產(chǎn)生疲勞損傷,因此著重將這些危險(xiǎn)位置的焊縫所得出的焊縫壽命優(yōu)先提取出來(lái),對(duì)其壽命值進(jìn)行研究分析,從而進(jìn)一步對(duì)座椅骨架的壽命進(jìn)行預(yù)估。通過(guò)計(jì)算得到座椅骨架的疲勞壽命云圖,可判斷并找出壽命最小的焊縫位置,也說(shuō)明該焊縫將是最先斷裂的危險(xiǎn)焊縫,然后導(dǎo)出其損傷量和壽命值,如圖5所示。其斷裂焊縫長(zhǎng)度為6mm,所對(duì)應(yīng)的損傷量是8.976e-5,疲勞壽命循環(huán)次數(shù)為1.114e4次。

圖5 座椅骨架焊縫壽命云圖Fig.5 Seat Skeleton Weld Life Cloud Map
試驗(yàn)設(shè)備為疲勞試驗(yàn)臺(tái)架,施力裝置為氣缸推力桿來(lái)回往復(fù)施加拉壓載荷,加載的載荷譜類型與仿真載荷譜類型一致。壓力傳感器為NS-WL2 拉壓力傳感器,具體的安裝方式,如圖6(a)所示。
試驗(yàn)過(guò)程中每半個(gè)小時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)一次,并在計(jì)算機(jī)上對(duì)氣缸的推拉力進(jìn)行觀測(cè),避免出現(xiàn)氣壓外泄導(dǎo)致的壓力減小造成試驗(yàn)誤差。最終在循環(huán)次數(shù)達(dá)到10697次的時(shí)候,骨架左下角焊縫產(chǎn)生疲勞裂紋,與仿真斷裂焊縫位置一致,長(zhǎng)度約6mm,如圖6(b)所示。
座椅骨架焊縫的疲勞試驗(yàn)與有限元仿真的疲勞壽命進(jìn)行對(duì)比可以得出循環(huán)次數(shù)相差443次,相對(duì)誤差為4.14%,在5%以內(nèi),說(shuō)明這種疲勞壽命預(yù)估方法適用于此類焊接件,并且預(yù)估結(jié)果相對(duì)精確。
通過(guò)基于Hypermesh的計(jì)算自由模態(tài)和LMS.Test.Lab的試驗(yàn)自由模態(tài)對(duì)比分析,以及基于Ncode的計(jì)算疲勞壽命,可得到如下結(jié)論:
通過(guò)試驗(yàn)?zāi)B(tài)與測(cè)試模態(tài)的對(duì)比,建立了座椅骨架精確的有限元模型,并且對(duì)焊縫的屬性進(jìn)行了精確的定義,并驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。
采用Hyperworks 和Ncode 軟件相結(jié)合,對(duì)座椅骨架焊縫進(jìn)行了疲勞可靠性分析、計(jì)算得出了焊縫的疲勞損傷和疲勞壽命,并且通過(guò)試驗(yàn)對(duì)計(jì)算分析方法進(jìn)行了驗(yàn)證,證明其精確有效,能夠滿足企業(yè)要求。
綜上,采取上述分析方法可以快速的定位出座椅骨架焊縫處的損壞位置,并且精確地計(jì)算出該位置的焊縫壽命,極大程度上縮減了時(shí)間成本和人力成本,有利于企業(yè)針對(duì)性的對(duì)座椅骨架的焊接做出相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整,對(duì)于座椅骨架的設(shè)計(jì)制造具有積極的指導(dǎo)意義。