滑移门止动弹簧片强度计算与疲劳寿命预测

2020-01-16黄红端袁代敏韦超忠陆毅初

汽车零部件 2019年12期

黄红端，袁代敏，韦超忠，陆毅初

(1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007；2.广西艾盛创制科技有限公司，广西柳州 545007)

0 引言

滑移门止动机构是为了使车门完全打开后要施加一定的外力后才能把门关上，即在人员上下车时，滑移门不会因为路面不平或其他原因而自动关闭。弹簧片作为滑移门止动机构中的关键零件，起到限位作用，同时也辅助提升整车动态感官性能[1-2]。断裂是止动弹簧片常见的失效形式，在技术改进和研究开发中，了解这种破坏形式对车辆零部件强度的影响具有重要意义。本文作者建立弹簧片的等效力学计算模型和止动机构三维有限元计算模型，对弹簧片进行强度校核及验证强度理论计算公式的正确性。同时结合工程实例，对弹簧片进行疲劳寿命预测分析，为弹簧片的后续设计和改进提供理论依据。

1 滑移门止动机构的工作原理

滑移门止动机构的结构如图1所示，滑移门止动机构由弹簧片支架和止动弹簧组成，其中弹簧片支架通过2个螺栓安装在滑移门下导轨上，止动弹簧片通过铆钉固定在弹簧支架上。滑移门打开过程中，限位轮压过弹簧片。当限位轮滚过弹簧片最高位置后，由于限位轮挤压，弹簧片将会产生纵向弯曲变形。

图1 滑移门止动机构示意

2 弹簧片力学性能

表1给出弹簧片材料基本力学性能参数。

表1 弹簧片力学性能

3 弹簧片强度理论计算

为求得弹簧片最大应力值，建立止动机构弹簧片力学计算模型，可以简化为一端固定，一端简支约束的等截面梁力学计算模型[3-4]，如图2所示。

图2 止动机构弹簧片力学计算模型

根据力学理论知识可知，当x=a时，挠度为

(1)

故有

(2)

弯矩为

(3)

根据材料力学，梁截面上弯曲正应力的计算式为

(4)

式中：ymax为横截面中性层到梁表面的距离，m；Iz为横截面对z轴(中性层)的惯性矩，m4。

将式(2)、式(3)代入式(4)得

(5)

式中：E为弹性模量，E=2.067×1011Pa；h为梁截面高度，m。

根据式(5)求得弹簧片最大应力值σmax=467 MPa<σs，满足强度要求。

4 滑移门止动机构有限元分析

本文作者以HyperMesh v13.0为前处理器，以ABAQUS 6.10为求解器并以HyperView v13.0为后处理器，对滑移门止动机构进行强度分析，从而对弹簧片等效力学模型强度理论计算公式正确性进行对比分析。

4.1 有限元模型建立

根据滑移门止动机构CAD数模建立有限元模型，如图3所示。止动机构主要由不同厚度的薄板件构成，通常采用壳单元对它进行离散化。网格大小选择4 mm，重要区域适当加密，铆接采用梁单元与rigid单元模拟。模型节点总数为2 055个，单元总数为1 951个。弹簧片支架材料采用弹性材料模拟，限位轮采用刚性体模拟，弹簧片材料采用弹塑性材料模拟，并根据材料的应力-应变关系定义材料应力-应变曲线。

图3 滑移门止动机构有限元模型

4.2 有限元结果与理论值对比分析

根据滑移门止动机构工作原理，在有限元分析软件ABAQUS 6.10中设置限位轮与弹簧片、弹簧片支架接触，对限位轮进行加载位移仿真分析。从材料力学中的疲劳强度定义可知弹簧片的弯曲应力即为弹簧片的疲劳强度，即弹簧片限位部位的抗疲劳折断能力。因此根据第三强度理论，可将用有限元软件得到的von Mises应力值等效为弹簧片的弯曲应力。弹簧片的von Mises应力云图如图4所示。弹簧片最大弯曲应力为502 MPa，发生在滚轮限位顶点位置处，小于材料的屈服强度，满足工程设计要求。弹簧片等效梁理论计算值与有限元值如表2所示,相对误差为6.9%，满足工程设计精度要求。说明文中提出的强度等效力学计算模型能够较为准确的预测滑移门止动机构弹簧片受力过程中的最大应力值，为弹簧片寿命试验的应力幅值设定提供理论参考。

图4 止动弹簧片von Mises应力云图

表2 弹簧片最大应力理论值与有限元值对比

5 弹簧片疲劳寿命预测

零部件会受到各种交变载荷作用，这种交变载荷一般低于拉伸强度极限，在其反复作用下零部件会发生裂纹萌生和扩展现象，并导致零部件突然断裂，这种现象称为疲劳破坏[3]。自19世纪中叶以来，疲劳分析和设计的标准都是以应力为基础，这种方法也被称为应力-寿命或S-N方法。由于受加工及零件外形影响，零件与标准试件的S-N曲线会有一定误差，所以需要对弹簧片零件进行台架试验，计算并得到零件的S-N曲线，进行寿命预测。

5.1 S-N曲线

根据S-N疲劳实验数据，绘制外加应力与疲劳寿命的双对数坐标曲线图，y坐标表示应力幅值，x表示疲劳循环次数。典型的S-N方程为

(6)

在S-N实验中，一旦收集到有限寿命区域的疲劳寿命数据，就可以采用最小二乘法来生成与数据最佳拟合的一条直线[5]。最小二乘法回归模型为

(7)

对式(6)两边取对数得

(8)

故有

(9)

(10)

5.2 实例分析

在滑移门止动机构可靠性研究中，对12个构件进行台架耐久实验。滑移门止动机构实物如图5所示。通过测量得到止动弹簧片与弹簧片支架高度h1测量数据，如表3所示。止动机构零件台架耐久实验如图6所示。根据式(5)求得各弹簧片台架实验疲劳耐久应力幅值，表4给出了有限寿命区域内的疲劳实验数据，止动弹簧片断裂失效位置如图7所示。