撰文/Dassault Systems SolidWorks 劉紅政

如何在SOLIDWORKS SIMULATION中完成低周疲勞仿真

撰文/Dassault Systems SolidWorks 劉紅政

一、概述

在戶外家居行業(yè)，凡是要出口到歐洲的座椅都必須通過歐盟的EN1728：2000 6.15標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定在經(jīng)受10次M公斤重物從落差為h米處自由落體沖擊，拿開重物后，座椅的最大變形量不超過10mm，如圖1所示。

圖1 沖擊示意圖

歐盟的這個標(biāo)準(zhǔn)表明，座椅在經(jīng)受沖擊后允許存在一定的永久變形量。生產(chǎn)企業(yè)在出口歐洲的座椅產(chǎn)品中，并沒有充分利用該標(biāo)準(zhǔn)的這項(xiàng)條款來進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一般情況下，座椅在10次沖擊后都不會產(chǎn)生永久變形。換句話說，座椅的強(qiáng)度余量太大。由于原材料成本持續(xù)增加，外貿(mào)企業(yè)的利潤越來越薄，企業(yè)也急迫地想利用這個規(guī)則，將座椅的強(qiáng)度設(shè)計(jì)為剛好夠用。

二、SOLIDWORKS SIMULATION的方案尋求

在S0LIDW0RKS SIMULATI0N的分析模塊中，我們可以閃現(xiàn)出很多相關(guān)的想法，主要?dú)w結(jié)為下面幾個方面。

（1）跌落測試。雖然沖擊測試包含重物自由落體的動作，但是我們的研究對象不是重物，而是與之接觸的座椅。因此我們不能使用跌落測試模塊來求解此類問題。

（2）疲勞測試。S0LIDW0RKS SIMULATI0N的疲勞模塊仿真的對象是高周疲勞事件，而對于10次沖擊這樣的低周疲勞事件而言，無法滿足分析的要求。

（3）沖擊測試。S0LIDW0RKS SIMULATI0N可以使用非線性模塊求解單次沖擊后座椅變形的結(jié)果，但是對于多次沖擊則沒有相應(yīng)的解決方案。

（4）變形疊加。我們保存單次沖擊后座椅的變形結(jié)果，然后將其導(dǎo)入到新的分析算例，以作為下一次沖擊的初始形狀。然而，第二次沖擊時的材料特性已經(jīng)發(fā)生改變，無法給出第二次沖擊時座椅的材料屬性，因此該方法也不可行。

上面列出的幾種方法，要么思路錯誤，要么只能得到部分結(jié)果，給工程師造成S0LIDW0RKS SIMULATI0N無法滿足這樣的分析需求的感覺。但是仔細(xì)回顧一下，發(fā)現(xiàn)我們還是能夠得到一些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。我們需要思考的是，能否將這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)串起來，通過多個步驟來實(shí)現(xiàn)最終的目的？

首先，通過單次非線性動態(tài)仿真，我們可以計(jì)算出沖擊時重物與座椅的接觸時間，同時還可以得到接觸面的壓力分布。然后，我們可以基于單次沖擊接觸時間，創(chuàng)建基于曲線的外加載荷，并完成10次沖擊的位移趨勢分析。接下來，我們用一個簡化模型進(jìn)行可行性研究。

三、可行性分析

圖2是一個簡化的分析模型。其中椅面用一張平面表示，而重物以一個圓柱體表示。

圖2 簡化沖擊模型

利用S0LIDW0RKS SIMULATI0N的非線性模塊，我們可以很快地得出沖擊響應(yīng)曲線，如圖3所示。從圖中可以看到，沖擊時的接觸時間為0.012秒。圖4給出了沖擊時最大的應(yīng)力分布云圖，我們可以使用探測工具很容易得到接觸面的平均壓力為5e7 N/m2。

圖3 響應(yīng)曲線

圖4 應(yīng)力分布云圖

通過上面得到的兩個重要數(shù)據(jù)，便可以不考慮重物（對應(yīng)簡化模型中的圓柱體），只需要將壓強(qiáng)及隨時間變化的分布情況加載到平面中的接觸部分，然后再進(jìn)行逐一驗(yàn)證。以分割線分割出相應(yīng)的接觸圓面積，如圖5所示。然后在分割圓上加載法向的壓力，給定5e7 N/m2的數(shù)值，并在“隨時間變化”的區(qū)域中選擇“曲線”，如圖6所示。

圖5 加載壓強(qiáng)

圖6 設(shè)定曲線

單擊圖6中的編輯按鈕，便可以設(shè)定相應(yīng)的加載曲線，如圖7所示進(jìn)行曲線設(shè)定。之前我們已經(jīng)得到?jīng)_擊的接觸時間為0.012秒，因此在圖7中，我們將沖擊之間的間隔設(shè)定為0.012秒，之后保持卸載的狀態(tài)，保持到0.1秒。

圖7 一次沖擊曲線

通過計(jì)算，我們可以得到第一次沖擊后的結(jié)果，如圖8和圖9所示。

從圖8可以看出，計(jì)算所得永久變形量為59.17mm。從圖9的時間響應(yīng)曲線可見，在沖擊發(fā)生時刻（0.012秒），最大變形量為70mm左右，當(dāng)重物卸載后，永久變形量s維持在59.17mm。

圖8 第一次沖擊后變形量

圖9 第一次沖擊后的響應(yīng)

重復(fù)上面的步驟，我們再來檢測一下第二次沖擊后的結(jié)果。從計(jì)算結(jié)果來看，可以發(fā)現(xiàn)第二次沖擊后的永久變形量上升到61.31mm，比第一次沖擊后的變形量增大了2mm左右（61.31mm～59.17mm）。

圖10 第二次沖擊后的結(jié)果

現(xiàn)在我們直接來檢測第十次沖擊后的結(jié)果，計(jì)算結(jié)果如圖11所示?？梢园l(fā)現(xiàn)第十次沖擊后的永久變形量上升到63.94mm，比第一次沖擊后的變形量增大了5mm左右（63.94mm～59.17mm）。

圖11 第十次沖擊后的結(jié)果

從分析結(jié)果來看，每次沖擊之后，增加的變形量越來越小?？紤]到材料在進(jìn)入塑性變形后會出現(xiàn)應(yīng)力硬化現(xiàn)象，因此這個結(jié)果是符合預(yù)期的。最后幾次沖擊得到的永久變形量很小，這也從側(cè)面驗(yàn)證了歐盟標(biāo)準(zhǔn)的合理性。即在經(jīng)過10次沖擊后，材料幾乎不再會增加永久變形量。我們通過這個簡化模型，論證了這個方法的可行性，可以將此方法帶入到座椅模型中進(jìn)行仿真。

四、結(jié)語

雖然在S0LIDW0RKS SIMULATI0N中無法直接求解低周疲勞的問題，但是我們可以通過將問題拆分為兩個步驟，使用現(xiàn)有的分析模塊完成最終的仿真需求。通過使用簡化模型驗(yàn)證了方法的可行性，最終我們可以得到用戶關(guān)心的座椅10次沖擊后的永久變形，如圖12所示。

圖12 第十次沖擊后座椅的最終變形

通過S0LIDW0RKS SIMULATI0N的優(yōu)化模塊，我們可以嘗試不同的座椅管材厚度，來找到滿足歐盟要求的最薄厚度的鋼管，從而節(jié)約制造的材料成本。