汽车座椅骨架焊缝的疲劳寿命预估方法研究

杨啟梁，张新林，胡 溧，金 杭

（1.武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉 430081；2.东风安道拓汽车座椅有限公司，湖北 武汉 430058）

1 引言

座椅是汽车车身重要的组成部分之一，同时也是汽车安全部件的重要部分，其主要功用是为了提供支撑确定位置，让乘员在驾乘过程中能够感到舒适，并且起到保护的作用，在突发情况下保证乘员不受到身体伤害，座椅强度及疲劳的研究是极其必要的，而座椅的强度取决于座椅骨架，骨架各部分均是焊接而成，因此焊缝在座椅强度及疲劳研究中起到非常关键的作用。

在对焊缝疲劳研究方面，文献[1-2]对车架及其连接焊缝的疲劳进行了研究，分别对比了rigid、weld、pshell单元模拟焊缝时的强度和对车架疲劳寿命的影响，最终采用pshell单元进行疲劳分析，其焊缝主要形式为直焊缝，焊缝形式相对比较简单，没有考虑到实体单元对焊缝模拟的影响；文献[3]从试验的角度分别采集各个连接焊缝在振动条件下的应力数据，采用miner累计损伤理论对采集到的数据进行雨流计算，最终计算出各个焊缝的在振动环境下的寿命值，但是缺少试验验证，无法精确预估实际产品在该环境下的寿命；文献[4]采用VOLVO方法得到了整个焊缝的损伤和寿命分布，但是并没有计算出具体的寿命值，只是揭示了损伤分布；文献[5-6]结合焊缝S-N疲劳曲线进行减振器支架寿命分析，并分析了焊缝的长度变化对减振器寿命的影响，但是缺乏对焊缝自身的材料属性的研究。针对上述研究的不足，在焊缝单元选择中加入了对实体单元的验证分析，结合试验模态和仿真模态对焊缝材料属性进行了定义，并且采用Miner方法和Goodman应力修正方法对焊缝寿命进行分析。

在座椅骨架的疲劳强度研究方面，文献[7-8]考虑了使用工况和道路耐久对座椅骨架产生的疲劳损伤，开发室内座椅骨架台架试验标准，对座椅骨架的疲劳强度做出评价，但是并为对骨架的焊缝进行进一步研究；文献[9]仅建立了座椅骨架的有限元模型，对座椅结构中焊接、螺钉连接、销连接等连接方式进行了简化，采用的刚性连接，对结构疲劳及静强度进行了相关分析，并没有针对焊缝等关键部位进行仔细的研究。针对目前座椅骨架疲劳强度研究的短板，对座椅骨架连接焊缝建立了比较精确的模拟单元，并且精确地计算焊缝的寿命，很好的弥补了上述研究的缺陷，对于座椅的设计研发具有重要意义。

2 疲劳分析及计算理论

2.1 疲劳寿命预估流程

根据名义应力法，对焊缝的寿命进行疲劳计算，具体的分析流程如下：

（1）对座椅骨架有限元模型进行前处理，建立连接关系，模拟出焊缝单元，并结合模态验证试验对焊缝材料进行赋予；

（2）在Hyperworks中进行静力计算，获取载荷分布，得出危险焊缝位置；

（3）在Ncode中输入静力计算的有限元应力结果，提取危险焊缝的应力，结合焊缝形式及受力状况，选取Goodman应力修正方法对其应力结果进行修正；

（4）根据焊缝已经赋予的材料属性，进行强度预估，赋予其相应的S-N曲线；

（5）根据线性累积损伤理论计算各级应力的损伤之和，并估算出焊缝的疲劳寿命，准确预估焊缝疲劳寿命的关键是准确地确定各级应力的循环次数及对应的寿命值。

2.2 线性累积损伤理论

通常所说的疲劳寿命是指零件失效时所经受的应力或应变的循环次数。常见的疲劳分析方法有应力疲劳分析、应变疲劳分析、裂纹扩展分析、振动疲劳分析。根据汽车座椅在实际使用过程中的受力特性，受力点主要集中在靠背、头枕、安全锁支架位置，简化到座椅骨架的焊缝上其主要承受的力的形式为压力和拉力，所以采用的方法是应力疲劳分析的方法，结合应力疲劳分析方法，Miner线性累积损伤理论对其进行寿命预估是最准确的。

线性累积损伤理论的基础是假定疲劳损伤和破坏是一个线性累积的过程，最终达到破坏极限值，导致疲劳破坏。其损伤可表示为：

式中：D—疲劳损伤；

N—在某恒幅应力水平下S作用下，循环至破坏的寿命为N；

n—经受n次循环。

显然，在恒幅应力水平S作用下，若n=0，则D=0，构件未受损伤；若n=N，则D=1，构件发生疲劳破坏。

构件在应力水平下Si下作用ni次循环时的损伤为Di=ni/Ni。若在k个应力水平Si作用下，各经受ni次循环，则可以定义其总损伤为：

式中：Di—在应力Si作用下的疲劳损伤；

Ni—在应力Si作用下，循环至破坏的寿命为Ni；

ni—在应力Si作用下，经受ni次循环。

若在设计寿命内的总损伤D＜1，构件是安全的；若D＞1，则构件将发生疲劳破坏，应降低应力水平或缩短使用寿命。其中ni是在Si作用下的循环次数，由载荷谱给出；Ni是在Si作用下循环到破坏的寿命，由S-N曲线确定。

当焊缝在受到循环载荷的情况下，采用线性累积损伤理论的方法计算焊缝的疲劳寿命为：

式中：ni/n—在应力Si下循环次数所占总循环数的百分数。

3 座椅骨架的模态分析

3.1 座椅骨架有限元的建立

座椅骨架主要由主弯管、支撑角板、安全锁支架、钢丝组成，各部分之间的连接均是焊接而成，焊缝的形式包括直焊缝、环焊缝，因此在对焊缝进行模拟时需要充分的考虑到焊缝属性对骨架强度的影响。所以焊缝单元建立的精确性会直接影响整个座椅的疲劳寿命状况，因此需要对模拟单元进行对比，由于rigid单元无法对其赋予材料属性，其他的1D 单元刚度偏大，所以不采用1D 单元对焊缝进行模拟。分别采用2D、3D 单元对焊缝进行模拟，主要通过座椅骨架模态测试对标分析来完成座椅骨架有限元焊缝模型的精度及有效性验证，从而选取较为精确的焊缝单元。

3.1.1 2D单元模拟焊缝有限元模型的建立

座椅骨架及焊缝单元有限元分析模型，用Hypermesh 软件进行前处理，对骨架各个部分进行焊接单元模拟，扶手、主架弯管、支撑角板等按照设计材料进行相应的属性赋予，对关键部位的连接采用2D单元进行焊缝模拟，焊缝的属性根据焊接部分母材的材料属性赋予其材料属性，各部分材料属性参数，如表1所示。

表1 各零部件的材料参数Tab.1 Material Parameters for Each Component

主架弯管及钢丝等采用四边网格划分，网格尺寸、网格数量及节点数量，如表2所示。有限元模型的总质量为3.637kg，最终建立焊缝的CAE模型，如图1所示。座椅骨架的整体视图，如图1（a）所示。2D单元模拟焊缝的局部示意图，如图1（b）所示。

表2 各零部件网格单元参数Tab.2 Grid Unit Parameters for Each Component

3.1.2 3D单元模拟焊缝有限元模型的建立

座椅骨架主要的各部零件材料属性保持不变，对其关键部位的连接采用3D单元（penta单元）进行焊缝模拟，各个零部件之间的连接采用实体焊缝进行连接，各连接处焊接的焊缝数量共39 条，焊缝网格采用五面体网格进行划分，主架弯管及钢丝等采用四面体网格划分，网格尺寸、网格数量及节点数量，如表3所示。有限元模型的总质量为3.986kg，最终建立焊缝的CAE模型，如图1所示。3D单元模拟焊缝的局部示意图，如图1（c）所示。

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

表3 各零部件网格单元参数Tab.3 Grid Unit Parameters for Each Component

3.2 座椅骨架计算自由模态分析

3.2.1 计算自由模态设置

在完成焊缝单元建立及网格划分后，检查所以网格质量是否合格，然后进行质量修改以得到完整精确的有限元模型，在Hypermesh中进行设置求取自由模态，步骤如下：

（1）设置材料属性：对各部分网格单元按照表1所示的材料进行材料属性设置，焊缝材料根据焊接的母材及焊丝材料进行拟定；

（2）设置约束条件：求取自由模态，对骨架的六个自由度均不做约束，模拟自由条件；

（3）设置求解范围：指定求解阶数为20阶，频率范围不做具体范围设定，提交设置好的文件进行求解。

3.2.2 自由模态计算结果

在Hypermesh 软件中的Optistruct 模块，采用Block Lanczos法来提取座椅骨架自由模态的模态参数，获取了座椅骨架的非零前4阶模态，由于计算的自由模态，因此对座椅骨架的约束自由度为0，即对其6个自由度均不进行约束；对各个零件的材料参数赋予见表1，在自由边界条件下进行模态计算，座椅主要受低阶频率的影响，故提取前四阶非零模态，模态频率，如表4所示。

表4 座椅骨架自由模态计算结果Tab.4 Seat Skeleton Free Modal Calculation Results

3.3 座椅骨架试验自由模态分析

座椅骨架焊缝的疲劳寿命分析需要建立精确的焊缝CAE模型，以减少模型误差。因此，完成座椅骨架有限元模型搭建之后有必要通过实际模型模态试验来验证模型的可靠性。主要通过座椅骨架模态试验对座椅骨架有限元模型的精度及有效性进行校验。

3.3.1 试验条件

试验对象为某车型后排座椅靠背骨架，该骨架主要由主架弯管、钢丝、支撑角板等零件组合而成，零件之间的连接方式为焊接。

主要试验设备：LMS.SCADAS数据采集前端，力锤一把，PCB公司的三向ICP型加速度传感器，配备Test.Lab.14A的高性能计算机等。

3.3.2 试验参数设置

试验的目的为测得座椅骨架在自由边界条件下固有频率与振型。由于座椅骨架质量较小，便于悬挂，因此将试验样件用弹性橡皮筋悬挂在测试钢架上进行自由边界条件的模拟，以便测得更为精确的数据。

使用LMS.Testlab 软件中MIMO FRF Testing 模块进行数据采集与分析。考虑尽量避开节点原则、充分反应骨架整体结构振动特性原则、结合实际测试环境，骨架被离散成58个测点。离散的骨架测试模型，如图2所示。

图2 骨架测试模型Fig.2 Skeleton Test Model

激励信号一般采用猝发随机，猝发随机信号可以最大限度减小泄露误差。激励点的初步选择根据计算模态的振型来确定，一般选择振型较大部位处的测点，避开模态节点位置；同时激励点选在能够使能量传到车身各个位置的刚度较大处。激励点的最终确定需要进行驱动点测试，找出能获得最多阶模态的测点。基于此，选择24号测点为测量点，同时在17号测点加装一个传感器以避免测试过程中产生的偶然误差。为避免传感器安装的附加质量对所采集的结果频率的影响，传感器安装方式采用胶粘的方式。

测试带宽根据试验目选定为1024Hz，频率分辨率为1Hz。采用锤击法，垂向敲击测点，依次遍历所有测点，每个传感器采集一组数据，同步采集测点3个方向的振动响应。因两组测试数据一致，选取其中一组进行分析即可。

测试时，通道超过量程范围的数据需舍弃，并重新测定通道量程后再进行测试。每组数据在采集时，相干函数基本在80%以上的信号为有效，座椅骨架测试部分布置及传感器位置，如图3所示。

图3 座椅骨架模态试验Fig.3 Modal Test of Seat Skeleton

3.3.3 计算自由模态与试验自由模态对比

采集完全部测点的频率响应数据后，基于“最小二乘复频域法（LSCF）”对该壳体的模态参数如固有频率及振型进行识别。并与有限元仿真模态进行对比，验证其相关性，其相对误差，如表5所示。

表5 计算与试验模态相对误差Tab.5 The Relative Error of Calculation and Test Modal

比较有限元与试验的前四阶模态结果，3D单元模拟出的焊缝相对于2D 单元要更为精准，其两者振型特点基本吻合，频率相差在10%以内，因此可以判定所建立的座椅骨架焊缝的有限元模型采用3D单元进行模拟是最为准确的，能够精确的描述该骨架和焊缝的主要结构力学特性，可用于座椅骨架焊缝的疲劳计算及寿命分析中。

4 座椅骨架焊缝的疲劳寿命计算

4.1 定义载荷谱

根据座椅实际使用情况，其主要载荷类型为往复拉压受力，因此载荷谱类型选择R=-1即可（R为载荷谱最大值与最小值的比值），采用最常见的载荷曲线：正弦曲线，在这种载荷下，汽车座椅骨架会产生动态应力，引起疲劳损伤，其破坏形式是疲劳断裂。受到循环载荷的影响，在进行疲劳强度计算时，须将疲劳载荷谱的大小、循环次数与试验相对应，这样才能准确的反应实际情况的疲劳寿命，才能精确的模拟出焊缝在实际情况下的失效情况，从而预估焊缝的疲劳寿命。

4.2 定义焊缝S-N曲线

焊缝的材料根据相连接的两种母材的材料来进行近似模拟，材料为低合金高强度钢HC500LA 和HC420LA，根据企业标准，其抗拉极限分别是560MPa、480MPa，结合模态试验对焊缝材料的确定，焊缝材料的杨氏模量为E=2.168e5，泊松比为u=0.3，密度为7860kg/m3。再结合Ncode材料库对焊缝材料的S-N（应力-寿命）曲线进行定义，如图4所示。

图4 焊缝材料S-N曲线Fig.4 S-N Curve of Weld Material

4.3 焊缝疲劳计算

在定义好材料相关属性以后，根据在Hypermesh 中计算所提取的应力结果Ncode 中建立疲劳寿命分析流程，主要分析步骤如下：

（1）导入提取的危险焊缝静力分析的应力结果，焊缝位置是主架弯管与支撑角板所连接的位置；

（2）输入载荷谱曲线，载荷谱与企业试验载荷谱保持一致，选定的为正弦曲线，周期为3s；

（3）通过Ncode疲劳求解器进行寿命计算，然后将寿命计算结果输出到寿命云图和寿命数值表中。

根据计算结果能够得到各个焊缝处产生疲劳损伤，因此着重将这些危险位置的焊缝所得出的焊缝寿命优先提取出来，对其寿命值进行研究分析，从而进一步对座椅骨架的寿命进行预估。通过计算得到座椅骨架的疲劳寿命云图，可判断并找出寿命最小的焊缝位置，也说明该焊缝将是最先断裂的危险焊缝，然后导出其损伤量和寿命值，如图5所示。其断裂焊缝长度为6mm，所对应的损伤量是8.976e-5，疲劳寿命循环次数为1.114e4次。

图5 座椅骨架焊缝寿命云图Fig.5 Seat Skeleton Weld Life Cloud Map

5 座椅骨架的疲劳试验

5.1 试验设备

试验设备为疲劳试验台架，施力装置为气缸推力杆来回往复施加拉压载荷，加载的载荷谱类型与仿真载荷谱类型一致。压力传感器为NS-WL2 拉压力传感器，具体的安装方式，如图6（a）所示。

5.2 试验结果

试验过程中每半个小时对焊缝进行检测一次，并在计算机上对气缸的推拉力进行观测，避免出现气压外泄导致的压力减小造成试验误差。最终在循环次数达到10697次的时候，骨架左下角焊缝产生疲劳裂纹，与仿真断裂焊缝位置一致，长度约6mm，如图6（b）所示。

座椅骨架焊缝的疲劳试验与有限元仿真的疲劳寿命进行对比可以得出循环次数相差443次，相对误差为4.14%，在5%以内，说明这种疲劳寿命预估方法适用于此类焊接件，并且预估结果相对精确。

6 结论

通过基于Hypermesh的计算自由模态和LMS.Test.Lab的试验自由模态对比分析，以及基于Ncode的计算疲劳寿命，可得到如下结论：

通过试验模态与测试模态的对比，建立了座椅骨架精确的有限元模型，并且对焊缝的属性进行了精确的定义，并验证其准确性。

采用Hyperworks 和Ncode 软件相结合，对座椅骨架焊缝进行了疲劳可靠性分析、计算得出了焊缝的疲劳损伤和疲劳寿命，并且通过试验对计算分析方法进行了验证，证明其精确有效，能够满足企业要求。

综上，采取上述分析方法可以快速的定位出座椅骨架焊缝处的损坏位置，并且精确地计算出该位置的焊缝寿命，极大程度上缩减了时间成本和人力成本，有利于企业针对性的对座椅骨架的焊接做出相应的优化调整，对于座椅骨架的设计制造具有积极的指导意义。