来源 | 汽车材料网
摘要：提出一种采用等效结构应力法计算汽车座椅骨架焊接结构疲劳寿命的方法。通过建立壳单元模拟焊缝结构的精细化有限元模型，开展座椅骨架的有限元分析，确定可能的疲劳失效部位；采用雨流计数法统计强化道路测得的汽车座椅随机载荷谱。以Conover 八级编谱原理为基础对雨流计数法结果进行再编谱，得到有工程代表性的等寿命典型载荷谱块。用结构应力法计算焊缝处的等效应力，以典型载荷谱、主S-N曲线为输入计算汽车座椅骨架的疲劳性能。对比实际试验统计数据，验证了提出的评估方法的有效性。
关键词：座椅骨架；疲劳寿命；结构应力法；雨流计数法
引言
汽车座椅是汽车必备的部件，座椅骨架通常用钢制管材焊接或者钢板冲压后焊接而成,行车过程中承受动态变化的载荷作用，常常发生焊接部分的疲劳损伤破坏，从而导致座椅骨架使用寿命降低，因此对汽车座椅骨架进行疲劳寿命研究具有重要意义。
目前，汽车行业常采用S-N 应力法估算疲劳寿命。相关研究中，周美施[1]等建立电动汽车车架有限元模型，基于工程中常用的恒幅载荷谱，用S-N 曲线法计算电动汽车车架疲劳寿命，并进行结构壁厚的优化设计；杨苍禄[2]等用CAE 技术建立汽车转向节有限元模型，施加多种工况恒幅载荷谱，用名义应力法进行疲劳分析并用耐久性试验对有限元结构进行可行性分析；高晶[3]等通过整车在不同等级道路上动力学分析，得到作用在弹簧座上的随机载荷谱，用名义应力法计算复杂工况下疲劳性能并做台架疲劳试验，最终得到模拟寿命和试验数据一致。名义应力法是参考结构和材料的疲劳危险部位的应力集中系数和名义应力来评估寿命，但标准试验焊接接头形式简单，试验数据有限，无法和实际汽车零部件复杂结构相匹配。近年来，随着测量技术和有限元技术的发展，基于真实工况下随机载荷谱开始应用于疲劳分析计算中。Singh[4]等以实验室和现场测得的随机载荷谱为基础，对载荷谱进行扩展和转化，并用Coffin-Manson，Morrow 模型计算疲劳寿命；王文伟[5]等通过对电动汽车电池箱结构建模，用频域分析和材料S-N 曲线法分析电池箱结构在随机振动条件下疲劳性能；孔振海[6]等分析在不平坦路面工况、制动工况、侧滑工况下轻型汽车前桥模型的受力状态，用名义应力法对前桥寿命进行预测；张林波[7]等模拟两种路面不同的载荷工况，用有限元法对车架进行弯曲疲劳寿命计算，并用试验验证计算寿命的合理性；宋桂秋[8]等考虑轮胎的试验气压对车轮的影响，通过加载动态载荷得到危险位置的载荷历程，用软件仿真车轮动态载荷疲劳寿命。
名义应力法，也称为应力-寿命法（Stress-life Method）是最早采用的疲劳寿命评估方法。该方法主要依据大量标准试验测试的材料曲线基础，参考结构和材料试件的疲劳危险部位应力集中系数和名义应力计算疲劳寿命。该方法计算简单，但在大量不同焊接接头的试验数据中选择合适的S-N 曲线比较困难，而且不同的焊接工艺可能无法找到匹配的焊接接头。Dong[9]基于平衡原理，提出等效结构应力法，以一条主S-N 材料曲线来估算复杂的焊接结构疲劳寿命，已在多个领域得到证实和应用。另一方面，恒幅载荷谱载荷形式单一，往往无法模拟真实的工况，导致计算精度不高。雨流计数法可以对实测载荷谱进行有效的统计和分析，准确得出随机载荷谱的幅值和均值分布情况，为再编谱提供良好的数据支持。
本文将等效结构应力法应用于汽车座椅骨架的焊接结构寿命估算中，使用壳单元模拟焊接结构，建立汽车座椅骨架有限元模型；采用雨流计数法对实测载荷谱进行统计分析，再以八级编谱为基础编制典型载荷谱。主S-N 曲线作为输入，以结构应力法计算焊接结构等效应力，最后得到焊接结构疲劳寿命，具体的过程如图1 所示。
图1 整体流程图
1 有限元模型建立和分析
座椅骨架一般采用氩弧焊进行焊接，焊接时的高温导致材料属性发生突变，形成疲劳性能薄弱的焊接区，焊接局部结构包括母材、焊趾、焊喉、和焊根区域，如图2 所示，焊喉是直接连接母材的部分，焊根是焊喉在母材上投影区，根据实际焊接的加工尺寸和经验得出焊趾的长度为两个被连接板件的厚度之和。采用壳单元模拟焊接结构，在保证计算精度的前提下壳单元可以降低网格调整时间和大量计算时间。座椅骨架在靠背骨架连接处、座盆骨架和座盆安装脚骨架处经常发生疲劳破坏，所以对这些区进行局部细化建模。
图2 壳单元模拟焊接结构图
根据座椅真实尺寸装配关系建立座椅整体结构有限元模型，如图3 所示。依据被焊接件的相对位置，以焊趾、焊根、焊喉的尺寸大小关系为基准，对座盆骨架边缘处（a）、靠背骨架连接处（b）、座盆安装脚骨架（c）建立局部精细化壳单元焊缝，如图3 中局部放大图所示。
图3 汽车座椅有限元模型
计算时，在滑轨的螺纹孔处施加固定约束，在座盆上施加大小为800 N 的均布载荷。材料设置为S500 结构钢，在标准温度下屈服强度为508.5 MPa，泊松比0.33。有限元静力分析结果如图4 所示。结果表示座椅整体结构应力分布比较均匀，在靠背骨架连接处（b）、座盆安装脚骨架（c）的应力相对较小，分别为89，115.8 MPa，而在座盆骨架边缘处（a）应力较大，最大值达到588 MPa，此处应为座椅骨架的危险部位。
