撰文/Dassault Systems SolidWorks 刘红政
一、概述
在户外家居行业，凡是要出口到欧洲的座椅都必须通过欧盟的EN1728:2000 6.15 标准。该标准明确规定在经受10 次M 公斤重物从落差为h 米处自由落体冲击，拿开重物后，座椅的最大变形量不超过10mm，如图1 所示。
欧盟的这个标准表明，座椅在经受冲击后允许存在一定的永久变形量。生产企业在出口欧洲的座椅产品中，并没有充分利用该标准的这项条款来进行结构设计。一般情况下，座椅在10 次冲击后都不会产生永久变形。换句话说，座椅的强度余量太大。由于原材料成本持续增加，外贸企业的利润越来越薄，企业也急迫地想利用这个规则，将座椅的强度设计为刚好够用。
二、SOLIDWORKS SIMULATION 的方案寻求
在SOLIDWORKS SIMULATION 的分析模块中，我们可以闪现出很多相关的想法，主要归结为下面几个方面。
（1）跌落测试。虽然冲击测试包含重物自由落体的动作，但是我们的研究对象不是重物，而是与之接触的座椅。因此我们不能使用跌落测试模块来求解此类问题。
（2） 疲劳测试。SOLIDWORKS SIMULATION 的疲劳模块仿真的对象是高周疲劳事件，而对于10 次冲击这样的低周疲劳事件而言，无法满足分析的要求。
（3）冲击测试。SOLIDWORKS SIMULATION 可以使用非线性模块求解单次冲击后座椅变形的结果，但是对于多次冲击则没有相应的解决方案。
（4）变形叠加。我们保存单次冲击后座椅的变形结果，然后将其导入到新的分析算例，以作为下一次冲击的初始形状。然而，第二次冲击时的材料特性已经发生改变，无法给出第二次冲击时座椅的材料属性，因此该方法也不可行。
上面列出的几种方法，要么思路错误，要么只能得到部分结果，给工程师造成SOLIDWORKS SIMULATION无法满足这样的分析需求的感觉。但是仔细回顾一下，发现我们还是能够得到一些关键的数据。我们需要思考的是，能否将这些关键数据串起来，通过多个步骤来实现最终的目的？
首先，通过单次非线性动态仿真，我们可以计算出冲击时重物与座椅的接触时间，同时还可以得到接触面的压力分布。然后，我们可以基于单次冲击接触时间，创建基于曲线的外加载荷，并完成10 次冲击的位移趋势分析。接下来，我们用一个简化模型进行可行性研究。
三、可行性分析
图2 是一个简化的分析模型。其中椅面用一张平面表示，而重物以一个圆柱体表示。
利用SOLIDWORKS SIMULATION 的非线性模块，我们可以很快地得出冲击响应曲线，如图3 所示。从图中可以看到，冲击时的接触时间为0.012 秒。图4 给出了冲击时最大的应力分布云图，我们可以使用探测工具很容易得到接触面的平均压力为5e7 N/m2。
通过上面得到的两个重要数据，便可以不考虑重物（对应简化模型中的圆柱体），只需要将压强及随时间变化的分布情况加载到平面中的接触部分，然后再进行逐一验证。
以分割线分割出相应的接触圆面积，如图5 所示。然后在分割圆上加载法向的压力，给定5e7 N/m2 的数值，并在“随时间变化”的区域中选择“曲线”，如图6 所示。
单击图6 中的编辑按钮，便可以设定相应的加载曲线，如图7 所示进行曲线设定。之前我们已经得到冲击的接触时间为0.012 秒，因此在图7 中，我们将冲击之间的间隔设定为0.012 秒，之后保持卸载的状态，保持到0.1 秒。
通过计算，我们可以得到第一次冲击后的结果，如图8 和图9 所示。
从图8 可以看出，计算所得永久变形量为59.17mm。
从图9 的时间响应曲线可见，在冲击发生时刻（0.012 秒），最大变形量为70mm 左右，当重物卸载后，永久变形量维持在59.17mm。
重复上面的步骤，我们再来检测一下第二次冲击后的结果。从计算结果来看，可以发现第二次冲击后的永久变形量上升到61.31mm，比第一次冲击后的变形量增大了2mm 左右（61.31mm ～ 59.17mm）。
现在我们直接来检测第十次冲击后的结果，计算结果如图11 所示。可以发现第十次冲击后的永久变形量上升到63.94mm，比第一次冲击后的变形量增大了5mm 左右（63.94mm ～ 59.17mm）。
从分析结果来看，每次冲击之后，增加的变形量越来越小。考虑到材料在进入塑性变形后会出现应力硬化现象，因此这个结果是符合预期的。最后几次冲击得到的永久变形量很小，这也从侧面验证了欧盟标准的合理性。即在经过10 次冲击后，材料几乎不再会增加永久变形量。我们通过这个简化模型，论证了这个方法的可行性，可以将此方法带入到座椅模型中进行仿真。
四、结语
虽然在SOLIDWORKS SIMULATION 中无法直接求解低周疲劳的问题，但是我们可以通过将问题拆分为两个步骤，使用现有的分析模块完成最终的仿真需求。通过使用简化模型验证了方法的可行性，最终我们可以得到用户关心的座椅10 次冲击后的永久变形，如图12 所示。
通过SOLIDWORKS SIMULATION 的优化模块，我们可以尝试不同的座椅管材厚度，来找到满足欧盟要求的最薄厚度的钢管，从而节约制造的材料成本。
