汽車座椅骨架焊縫的疲勞壽命預(yù)估方法研究

楊啟梁，張新林，胡 溧，金 杭

（1.武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北 武漢 430081；2.東風安道拓汽車座椅有限公司，湖北 武漢 430058）

1 引言

座椅是汽車車身重要的組成部分之一，同時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，讓乘員在駕乘過程中能夠感到舒適，并且起到保護的作用，在突發(fā)情況下保證乘員不受到身體傷害，座椅強度及疲勞的研究是極其必要的，而座椅的強度取決于座椅骨架，骨架各部分均是焊接而成，因此焊縫在座椅強度及疲勞研究中起到非常關(guān)鍵的作用。

在對焊縫疲勞研究方面，文獻[1-2]對車架及其連接焊縫的疲勞進行了研究，分別對比了rigid、weld、pshell單元模擬焊縫時的強度和對車架疲勞壽命的影響，最終采用pshell單元進行疲勞分析，其焊縫主要形式為直焊縫，焊縫形式相對比較簡單，沒有考慮到實體單元對焊縫模擬的影響；文獻[3]從試驗的角度分別采集各個連接焊縫在振動條件下的應(yīng)力數(shù)據(jù)，采用miner累計損傷理論對采集到的數(shù)據(jù)進行雨流計算，最終計算出各個焊縫的在振動環(huán)境下的壽命值，但是缺少試驗驗證，無法精確預(yù)估實際產(chǎn)品在該環(huán)境下的壽命；文獻[4]采用VOLVO方法得到了整個焊縫的損傷和壽命分布，但是并沒有計算出具體的壽命值，只是揭示了損傷分布；文獻[5-6]結(jié)合焊縫S-N疲勞曲線進行減振器支架壽命分析，并分析了焊縫的長度變化對減振器壽命的影響，但是缺乏對焊縫自身的材料屬性的研究。針對上述研究的不足，在焊縫單元選擇中加入了對實體單元的驗證分析，結(jié)合試驗?zāi)B(tài)和仿真模態(tài)對焊縫材料屬性進行了定義，并且采用Miner方法和Goodman應(yīng)力修正方法對焊縫壽命進行分析。

在座椅骨架的疲勞強度研究方面，文獻[7-8]考慮了使用工況和道路耐久對座椅骨架產(chǎn)生的疲勞損傷，開發(fā)室內(nèi)座椅骨架臺架試驗標準，對座椅骨架的疲勞強度做出評價，但是并為對骨架的焊縫進行進一步研究；文獻[9]僅建立了座椅骨架的有限元模型，對座椅結(jié)構(gòu)中焊接、螺釘連接、銷連接等連接方式進行了簡化，采用的剛性連接，對結(jié)構(gòu)疲勞及靜強度進行了相關(guān)分析，并沒有針對焊縫等關(guān)鍵部位進行仔細的研究。針對目前座椅骨架疲勞強度研究的短板，對座椅骨架連接焊縫建立了比較精確的模擬單元，并且精確地計算焊縫的壽命，很好的彌補了上述研究的缺陷，對于座椅的設(shè)計研發(fā)具有重要意義。

2 疲勞分析及計算理論

2.1 疲勞壽命預(yù)估流程

根據(jù)名義應(yīng)力法，對焊縫的壽命進行疲勞計算，具體的分析流程如下：

（1）對座椅骨架有限元模型進行前處理，建立連接關(guān)系，模擬出焊縫單元，并結(jié)合模態(tài)驗證試驗對焊縫材料進行賦予；

（2）在Hyperworks中進行靜力計算，獲取載荷分布，得出危險焊縫位置；

（3）在Ncode中輸入靜力計算的有限元應(yīng)力結(jié)果，提取危險焊縫的應(yīng)力，結(jié)合焊縫形式及受力狀況，選取Goodman應(yīng)力修正方法對其應(yīng)力結(jié)果進行修正；

（4）根據(jù)焊縫已經(jīng)賦予的材料屬性，進行強度預(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算各級應(yīng)力的損傷之和，并估算出焊縫的疲勞壽命，準確預(yù)估焊縫疲勞壽命的關(guān)鍵是準確地確定各級應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)及對應(yīng)的壽命值。

2.2 線性累積損傷理論

通常所說的疲勞壽命是指零件失效時所經(jīng)受的應(yīng)力或應(yīng)變的循環(huán)次數(shù)。常見的疲勞分析方法有應(yīng)力疲勞分析、應(yīng)變疲勞分析、裂紋擴展分析、振動疲勞分析。根據(jù)汽車座椅在實際使用過程中的受力特性，受力點主要集中在靠背、頭枕、安全鎖支架位置，簡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其進行壽命預(yù)估是最準確的。

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線性累積的過程，最終達到破壞極限值，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)時的損傷為Di=ni/Ni。若在k個應(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)的百分數(shù)。

3 座椅骨架的模態(tài)分析

3.1 座椅骨架有限元的建立

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，因此在對焊縫進行模擬時需要充分的考慮到焊縫屬性對骨架強度的影響。所以焊縫單元建立的精確性會直接影響整個座椅的疲勞壽命狀況，因此需要對模擬單元進行對比，由于rigid單元無法對其賦予材料屬性，其他的1D 單元剛度偏大，所以不采用1D 單元對焊縫進行模擬。分別采用2D、3D 單元對焊縫進行模擬，主要通過座椅骨架模態(tài)測試對標分析來完成座椅骨架有限元焊縫模型的精度及有效性驗證，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 軟件進行前處理，對骨架各個部分進行焊接單元模擬，扶手、主架彎管、支撐角板等按照設(shè)計材料進行相應(yīng)的屬性賦予，對關(guān)鍵部位的連接采用2D單元進行焊縫模擬，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，對其關(guān)鍵部位的連接采用3D單元（penta單元）進行焊縫模擬，各個零部件之間的連接采用實體焊縫進行連接，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 座椅骨架計算自由模態(tài)分析

3.2.1 計算自由模態(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，然后進行質(zhì)量修改以得到完整精確的有限元模型，在Hypermesh中進行設(shè)置求取自由模態(tài)，步驟如下：

（1）設(shè)置材料屬性：對各部分網(wǎng)格單元按照表1所示的材料進行材料屬性設(shè)置，焊縫材料根據(jù)焊接的母材及焊絲材料進行擬定；

（2）設(shè)置約束條件：求取自由模態(tài)，對骨架的六個自由度均不做約束，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)置好的文件進行求解。

3.2.2 自由模態(tài)計算結(jié)果

在Hypermesh 軟件中的Optistruct 模塊，采用Block Lanczos法來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)，由于計算的自由模態(tài)，因此對座椅骨架的約束自由度為0，即對其6個自由度均不進行約束；對各個零件的材料參數(shù)賦予見表1，在自由邊界條件下進行模態(tài)計算，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)計算結(jié)果Tab.4 Seat Skeleton Free Modal Calculation Results

3.3 座椅骨架試驗自由模態(tài)分析

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實際模型模態(tài)試驗來驗證模型的可靠性。主要通過座椅骨架模態(tài)試驗對座椅骨架有限元模型的精度及有效性進行校驗。

3.3.1 試驗條件

試驗對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的高性能計算機等。

3.3.2 試驗參數(shù)設(shè)置

試驗的目的為測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，因此將試驗樣件用彈性橡皮筋懸掛在測試鋼架上進行自由邊界條件的模擬，以便測得更為精確的數(shù)據(jù)。

使用LMS.Testlab 軟件中MIMO FRF Testing 模塊進行數(shù)據(jù)采集與分析?？紤]盡量避開節(jié)點原則、充分反應(yīng)骨架整體結(jié)構(gòu)振動特性原則、結(jié)合實際測試環(huán)境，骨架被離散成58個測點。離散的骨架測試模型，如圖2所示。

圖2 骨架測試模型Fig.2 Skeleton Test Model

激勵信號一般采用猝發(fā)隨機，猝發(fā)隨機信號可以最大限度減小泄露誤差。激勵點的初步選擇根據(jù)計算模態(tài)的振型來確定，一般選擇振型較大部位處的測點，避開模態(tài)節(jié)點位置；同時激勵點選在能夠使能量傳到車身各個位置的剛度較大處。激勵點的最終確定需要進行驅(qū)動點測試，找出能獲得最多階模態(tài)的測點。基于此，選擇24號測點為測量點，同時在17號測點加裝一個傳感器以避免測試過程中產(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。

測試帶寬根據(jù)試驗?zāi)窟x定為1024Hz，頻率分辨率為1Hz。采用錘擊法，垂向敲擊測點，依次遍歷所有測點，每個傳感器采集一組數(shù)據(jù)，同步采集測點3個方向的振動響應(yīng)。因兩組測試數(shù)據(jù)一致，選取其中一組進行分析即可。

測試時，通道超過量程范圍的數(shù)據(jù)需舍棄，并重新測定通道量程后再進行測試。每組數(shù)據(jù)在采集時，相干函數(shù)基本在80%以上的信號為有效，座椅骨架測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Fig.3 Modal Test of Seat Skeleton

3.3.3 計算自由模態(tài)與試驗自由模態(tài)對比

采集完全部測點的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)后，基于“最小二乘復(fù)頻域法（LSCF）”對該殼體的模態(tài)參數(shù)如固有頻率及振型進行識別。并與有限元仿真模態(tài)進行對比，驗證其相關(guān)性，其相對誤差，如表5所示。

表5 計算與試驗?zāi)B(tài)相對誤差Tab.5 The Relative Error of Calculation and Test Modal

比較有限元與試驗的前四階模態(tài)結(jié)果，3D單元模擬出的焊縫相對于2D 單元要更為精準，其兩者振型特點基本吻合，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單元進行模擬是最為準確的，能夠精確的描述該骨架和焊縫的主要結(jié)構(gòu)力學特性，可用于座椅骨架焊縫的疲勞計算及壽命分析中。

4 座椅骨架焊縫的疲勞壽命計算

4.1 定義載荷譜

根據(jù)座椅實際使用情況，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），采用最常見的載荷曲線：正弦曲線，在這種載荷下，汽車座椅骨架會產(chǎn)生動態(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，在進行疲勞強度計算時，須將疲勞載荷譜的大小、循環(huán)次數(shù)與試驗相對應(yīng)，這樣才能準確的反應(yīng)實際情況的疲勞壽命，才能精確的模擬出焊縫在實際情況下的失效情況，從而預(yù)估焊縫的疲勞壽命。

4.2 定義焊縫S-N曲線

焊縫的材料根據(jù)相連接的兩種母材的材料來進行近似模擬，材料為低合金高強度鋼HC500LA 和HC420LA，根據(jù)企業(yè)標準，其抗拉極限分別是560MPa、480MPa，結(jié)合模態(tài)試驗對焊縫材料的確定，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材料庫對焊縫材料的S-N（應(yīng)力-壽命）曲線進行定義，如圖4所示。

圖4 焊縫材料S-N曲線Fig.4 S-N Curve of Weld Material

4.3 焊縫疲勞計算

在定義好材料相關(guān)屬性以后，根據(jù)在Hypermesh 中計算所提取的應(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)試驗載荷譜保持一致，選定的為正弦曲線，周期為3s；

（3）通過Ncode疲勞求解器進行壽命計算，然后將壽命計算結(jié)果輸出到壽命云圖和壽命數(shù)值表中。

根據(jù)計算結(jié)果能夠得到各個焊縫處產(chǎn)生疲勞損傷，因此著重將這些危險位置的焊縫所得出的焊縫壽命優(yōu)先提取出來，對其壽命值進行研究分析，從而進一步對座椅骨架的壽命進行預(yù)估。通過計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，也說明該焊縫將是最先斷裂的危險焊縫，然后導(dǎo)出其損傷量和壽命值，如圖5所示。其斷裂焊縫長度為6mm，所對應(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

5 座椅骨架的疲勞試驗

5.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備為疲勞試驗臺架，施力裝置為氣缸推力桿來回往復(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。

5.2 試驗結(jié)果

試驗過程中每半個小時對焊縫進行檢測一次，并在計算機上對氣缸的推拉力進行觀測，避免出現(xiàn)氣壓外泄導(dǎo)致的壓力減小造成試驗誤差。最終在循環(huán)次數(shù)達到10697次的時候，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，長度約6mm，如圖6（b）所示。

座椅骨架焊縫的疲勞試驗與有限元仿真的疲勞壽命進行對比可以得出循環(huán)次數(shù)相差443次，相對誤差為4.14%，在5%以內(nèi)，說明這種疲勞壽命預(yù)估方法適用于此類焊接件，并且預(yù)估結(jié)果相對精確。

6 結(jié)論

通過基于Hypermesh的計算自由模態(tài)和LMS.Test.Lab的試驗自由模態(tài)對比分析，以及基于Ncode的計算疲勞壽命，可得到如下結(jié)論：

通過試驗?zāi)B(tài)與測試模態(tài)的對比，建立了座椅骨架精確的有限元模型，并且對焊縫的屬性進行了精確的定義，并驗證其準確性。

采用Hyperworks 和Ncode 軟件相結(jié)合，對座椅骨架焊縫進行了疲勞可靠性分析、計算得出了焊縫的疲勞損傷和疲勞壽命，并且通過試驗對計算分析方法進行了驗證，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，并且精確地計算出該位置的焊縫壽命，極大程度上縮減了時間成本和人力成本，有利于企業(yè)針對性的對座椅骨架的焊接做出相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整，對于座椅骨架的設(shè)計制造具有積極的指導(dǎo)意義。