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在SOLIDWORKS SIMULATION中完成低周疲勞仿真的方法
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(guò)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(kāi)重物后，座椅的最大變形量不超過(guò)10mm，如圖1 所示。
歐盟的這個(gè)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(méi)有充分利用該標(biāo)準(zhǔn)的這項(xiàng)條款來(lái)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(huì)產(chǎn)生永久變形。換句話說(shuō)，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(rùn)越來(lái)越薄，企業(yè)也急迫地想利用這個(gè)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SOLIDWORKS SIMULATION 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(gè)方面。
（1）跌落測(cè)試。雖然沖擊測(cè)試包含重物自由落體的動(dòng)作，但是我們的研究對(duì)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(cè)試模塊來(lái)求解此類問(wèn)題。
（2） 疲勞測(cè)試。SOLIDWORKS SIMULATION 的疲勞模塊仿真的對(duì)象是高周疲勞事件，而對(duì)于10 次沖擊這樣的低周疲勞事件而言，無(wú)法滿足分析的要求。
（3）沖擊測(cè)試。SOLIDWORKS SIMULATION 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(duì)于多次沖擊則沒(méi)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(shí)的材料特性已經(jīng)發(fā)生改變，無(wú)法給出第二次沖擊時(shí)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(cuò)誤，要么只能得到部分結(jié)果，給工程師造成SOLIDWORKS SIMULATION無(wú)法滿足這樣的分析需求的感覺(jué)。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(lái)，通過(guò)多個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)最終的目的？
首先，通過(guò)單次非線性動(dòng)態(tài)仿真，我們可以計(jì)算出沖擊時(shí)重物與座椅的接觸時(shí)間，同時(shí)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(shí)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(shì)分析。接下來(lái)，我們用一個(gè)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行可行性研究。
三、可行性分析
圖2 是一個(gè)簡(jiǎn)化的分析模型。其中椅面用一張平面表示，而重物以一個(gè)圓柱體表示。
利用SOLIDWORKS SIMULATION 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(shí)的接觸時(shí)間為0.012 秒。圖4 給出了沖擊時(shí)最大的應(yīng)力分布云圖，我們可以使用探測(cè)工具很容易得到接觸面的平均壓力為5e7 N/m2。
通過(guò)上面得到的兩個(gè)重要數(shù)據(jù)，便可以不考慮重物（對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)化模型中的圓柱體），只需要將壓強(qiáng)及隨時(shí)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(shí)間變化”的區(qū)域中選擇“曲線”，如圖6 所示。
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(shí)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。
通過(guò)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(shí)間響應(yīng)曲線可見(jiàn)，在沖擊發(fā)生時(shí)刻（0.012 秒），最大變形量為70mm 左右，當(dāng)重物卸載后，永久變形量維持在59.17mm。
重復(fù)上面的步驟，我們?cè)賮?lái)檢測(cè)一下第二次沖擊后的結(jié)果。從計(jì)算結(jié)果來(lái)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）。
現(xiàn)在我們直接來(lái)檢測(cè)第十次沖擊后的結(jié)果，計(jì)算結(jié)果如圖11 所示。可以發(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）。
從分析結(jié)果來(lái)看，每次沖擊之后，增加的變形量越來(lái)越小。考慮到材料在進(jìn)入塑性變形后會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力硬化現(xiàn)象，因此這個(gè)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(guò)10 次沖擊后，材料幾乎不再會(huì)增加永久變形量。我們通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)化模型，論證了這個(gè)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(yǔ)
雖然在SOLIDWORKS SIMULATION 中無(wú)法直接求解低周疲勞的問(wèn)題，但是我們可以通過(guò)將問(wèn)題拆分為兩個(gè)步驟，使用現(xiàn)有的分析模塊完成最終的仿真需求。通過(guò)使用簡(jiǎn)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。
通過(guò)SOLIDWORKS SIMULATION 的優(yōu)化模塊，我們可以嘗試不同的座椅管材厚度，來(lái)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。
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