座椅安裝點疲勞試驗和仿真分析

摘要：對某載荷汽車座椅安裝點進行靜強度和疲勞仿真分析，滿足疲勞耐久循環次數的要求，試驗驗證出現開裂現象。通過仿真和試驗對標，開裂位置和實際開裂部位吻合，循環次數遠遠小于要求次數，因此調整疲勞仿真SN 曲線和表面處理參數使損傷值為1，保證疲勞失效模式的一致性，優化開裂部位結構后，再對其進行疲勞仿真，結果表明壽命有所提高。疲勞仿真分析能夠快速驗證優化結構的有效性，縮短了開發周期，節省了費用。

關鍵詞：座椅；安裝點；損傷值；優化

中圖分類號：U467.3 收稿日期：2023-01-03

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.02.018

1 前言

汽車座椅是車內乘員安全性和舒適型的一個重要部件之一，汽車廠商必須對其性能進行檢測和試驗，座椅作為聯系人與車的一個重要部件，承受著復雜的載荷。目前，一般通過實車路試來獲取載荷譜。GB15083-2019《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》對座椅固定裝置提出要求，對整個車體施加一個不小于20 g 的縱向水平減速度或加速度，持續時間為30 ms，用以模擬車輛正面碰撞。對整個車體施加同樣的一個縱向水平減速度或加速度，用于模擬車輛后面碰撞，但只考察碰撞工況。基于路譜的疲勞分析流程復雜，必須有整車情況下才能進行，有局限性。按照國標試驗方法，考察的工況較單一，綜合這兩種情況，本文通過簡化復雜的工況，考察座椅安裝點前后和左右方向的耐久性能，進行臺架試驗，并進行仿真分析。

2 座椅安裝點有限元仿真分析

2.1 模型建立

某輕型載貨汽車中間座椅安裝點有限元仿真分析模型包含白車身，座椅的4 個安裝支架，因為主要考察座椅安裝點的強度，座椅骨架不需要具體的結構數模，座椅骨架采用1D 梁單元模擬，白車身采用平均長度為10 mm 的殼單元，座椅安裝支架和地板、地板加強板處的網格細化，采用mm 級網格，并考慮座椅安裝支架與地板接觸，以及地板與加強板接觸，共兩個接觸對，螺栓連接采用rigid 剛性單元模擬，焊點采用GAGBELEMID類型［1］，如圖1 所示。

2.2 靜強度分析

座椅安裝點主要考察座椅在汽車前后和左右方向受力，強度分為兩個工況加載力。根據企業標準要求，工況一，在座椅靠背上骨架的中心點加載X 正向的力矩為274 N·m；工況二，加載向右的力為490 N。由于考慮了接觸非線性，計算為非線性準靜態分析。工況一應力結果見圖2，地板最大應力為53 MPa，最大應力在座椅安裝支架處。工況二應力結果見圖3，地板最大應力在地板加強板處，最大應力為145 MPa。兩工況應力均小于材料的屈服強度，滿足要求。

3 座椅安裝點疲勞分析

3.1 疲勞累積損傷理論

疲勞分析通過時間歷程對靜態應力或者應變進行比例縮放，主要解決線性疲勞問題，不能考慮結構的振動響應。根據S～N 曲線的全壽命分析，這種方法對裂紋的產生和擴展不加以明確的區分，能夠預測到較大的損傷或破壞為止的總壽命。零件的損傷可以用一個趨向能接收最大裂紋長度的裂紋長度累積量來表示。一個光滑試樣在斷裂時的裂紋長度為af，在循環載荷作用下的裂紋長度為a，那么在給定應力水平St 下，累積損傷量D 應為a 與af 的比值。累積損傷是瞬時裂紋長度與最終裂紋長度的比值，當累積損傷D=1 時，就會發生疲勞失效。

目前所提出的疲勞累積損傷理論可以歸納為線性疲勞累積損傷理論、修正的線性疲勞累積損傷理論和非線性疲勞累積損傷理論三類。線性疲勞累積損傷理論是指在循環載荷作用下，疲勞損傷是可以線性累加的，各個應力之間相互獨立和互不相關，當累加的損傷達到某一數值時，試件或構件就發生疲勞破壞。一個循環造成的損傷：D=1/N，N 為對應于當前載荷水平S 的疲勞壽命。損傷累積是等幅載荷下由n 個循環造成的損傷，D=n/N［2］。

3.2 疲勞分析

座椅安裝點疲勞分析采用線性疲勞累積損傷理論。將座椅安裝點兩工況的應力分析結果導入Ncode 軟件并采用SN 疲勞分析，只需對發生開裂地板、地板加強板、座椅安裝支架進行分析。在軟件中對分析零件設置材料屬性，主要是材料的抗拉強度，SN 曲線用軟件默認值，設置SNAnalysis 中的edit load mapping，新建兩個DutyCycle Item。DutyCycle Item1 對應選擇恒幅加載constant amplitude load provider，設置Repat Count 為144 000，恒幅加載對應的工況一，最大設置為1，最小設置為-0.5，表示座椅前后方向耐久，X 正向的加載力矩為274 N·m，X 負向的加載力矩為137 N·m，循環次數為144 000 次。DutyCycle Item2 對應選擇恒幅加載con?stant amplitude load provider，設置Repat Count 為86 900次，恒幅加載對應的工況二，最大設置為1，最小設置為-1，表示座椅左右方向耐久，Y 正向加載的力為490 N，Y 負向加載的力為490 N。循環次數為86 900 次。疲勞損傷值小于1，如圖4 所示，滿足要求。

4 座椅安裝點疲勞試驗

4.1 試驗說明

載貨汽車中間座椅安裝點的臺架試驗模型包括該載貨汽車白車身、座椅安裝支架、座椅骨架，另外由于不考察座椅骨架的強度，采用鋼管將座椅骨架進行支撐，增加座椅骨架剛性，如圖5 所示。試驗類型為定頻恒幅，試驗載荷采用最大載荷，為在加載點施加X 正向力矩274 N·m，加載方向與加載點和乘坐基準點的連線垂直，最小載荷為在加載點施加X 負向力矩137 N·m，加載方向與加載點和乘坐基準點連線垂直。要求循環次數為144 000 次無開裂。試驗頻率為2 Hz，加載方式為循環脈沖載荷，固定白車身前后懸置安裝孔。左右耐久是在完成前后耐久試驗后，同樣采用定頻脈沖循環載荷加載，最大載荷為在加載點施加Y 正向490 N，加載方向為水平，正負誤差5°。最小載荷為在施加點施加Y 負向490 N，要求循環次數為86 900 次無開裂。

4.2 試驗結果

中間座椅完成了前后耐久循環目標144 000 次，無開裂，左右耐久2 100 次，地板加強板開裂，沒有達到目標循環次數，如圖6 所示。分析開裂原因，由于總裝工藝要求，地板加強板與地板有幾處焊接，后地板加強板為了提高其剛性，設計加強筋，為了地板加強板和地板貼合焊接，故設計幾處沉臺。在左右耐久工況時，由于安裝點在地板加強板和地板之間僅通過沉臺連接，接觸面小，導致應力集中，疲勞壽命不滿足要求。設計人員通過臨時方案將開裂部位的沉臺處補焊，再進行左右耐久試驗，座椅安裝支架與骨架連接處開裂，地板暫無開裂，如圖7 所示。

5 座椅安裝點對標分析與改進

5.1 疲勞仿真與試驗對標分析

依據疲勞仿真分析中材料的SN 曲線，表面處理系數對疲勞循環次數影響很大，未經過對標的疲勞仿真分析，只能在工程中用于對比分析。由于數據積累和經驗不足，這類疲勞分析不能替代實際的臺架試驗，但通過調整材料SN 曲線和表面處理系數，使座椅安裝點處經過前后耐久144 000 次和左右耐久2 100 次，疲勞累積損傷值近似為1，如圖8 所示，即地板加強板發生開裂失效。固化參數，可以驗證結構改進后的座椅安裝點是否滿足循環次數。

5.2 優化后疲勞分析

根據有限元仿真結果改進沉臺處的結構，減小應力，提高壽命。方案一增大沉臺平面，方案二除去沉臺，中間加一塊墊板，并與地板加強板焊接。經驗判斷，方案二效果更明顯，本文針對方案二，通過有限元仿真分析和疲勞分析對原設計狀態和方案二進行分析驗證。

方案二除去沉臺，中間加一塊墊板，墊板的料厚為2 mm，并和地板加強板通過四個焊點焊接。優化后開裂部位最大應力值從145 MPa 下降到110 MPa，將優化后的應力結果見圖9，導入Ncode 軟件中，將DutyCycleItem2 對應選擇恒幅加載constant amplitude load provid?er，設置Repat Count 為86 900，即左右循環次數設定為目標值86 900 次，座椅安裝點處的損傷為0.01984，損傷值小于1，如圖10 所示，滿足目標要求。

6 結語

本文通過疲勞仿真分析和試驗，調整疲勞仿真參數，對標試驗，使其發生開裂時循環次數的損傷值達到1，固化參數，驗證優化后座椅安裝點疲勞強度，提高了效率，縮短了開發周期，保證了提高市場競爭力。

參考文獻：

［1］譚繼錦，汽車結構有限元分析［M］北京：清華大學出版社，2009

［2］張霽，徐剛LMS Virtual.Lab Durability 理論基礎與實例教程［M］北京：國防工業出版社，2015

作者簡介

胡小文，女，1983 年生，工程師，研究方向為非線性結構分析。