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隨機振動疲勞壽命預測方法
2018-05-04 09:41:29· 來源：結(jié)構(gòu)CAE分析
目前，預測電池箱的疲勞壽命主要有兩種方法：正弦定頻振動和隨機振動。正弦定頻振動是考察電池箱在指定的頻率抗振耐久性能，而隨機振動能真實反映各個諧振頻率點上的振動特性，比較符合電池箱的實際振動環(huán)境；隨機振動中的三區(qū)間法和Dirlik方法操作簡單、應用廣泛。上一篇文章介紹了電池箱的頻率響應分析方法，獲得了0~200Hz的頻率響應曲線。
目前，預測電池箱的疲勞壽命主要有兩種方法：正弦定頻振動和隨機振動。正弦定頻振動是考察電池箱在指定的頻率抗振耐久性能，而隨機振動能真實反映各個諧振頻率點上的振動特性，比較符合電池箱的實際振動環(huán)境；隨機振動中的三區(qū)間法和Dirlik方法操作簡單、應用廣泛。上一篇文章介紹了電池箱的頻率響應分析方法，獲得了0~200Hz的頻率響應曲線。
本文則介紹利用頻率響應曲線預測疲勞壽命的方法。隨機振動疲勞壽命的預測思路如下圖。
1、加速度功率譜密度
隨機振動無法用確定的函數(shù)關系式去表達，只能通過概率統(tǒng)計的方法去描述。在時間域內(nèi)，采用相關函數(shù)給出隨機振動的統(tǒng)計特性；而在頻域內(nèi)，功率譜密度表示隨機振動在各個頻率成分上的統(tǒng)計特性。功率譜密度函數(shù)為自相關函數(shù)的傅里葉變換，即。電池包振動測試國標中，規(guī)定的垂直地面方向加速度功率譜密度如下圖所示。
通過加速度的功率譜密度函數(shù)，可知各個頻段的載荷分布，例如上圖的加速度功率譜密度，在5~10Hz，加速度載荷為0.05~0.06g2/Hz，在10~20Hz，加速度載荷為0.06 g2/Hz，所以振動主要集中在0~20Hz，通常電池包等所受的路面及電機激勵頻率都在30Hz以下。
2、疲勞壽命計算方法
Dirlik疲勞壽命算法是目前主流疲勞仿真軟件nCode所采用的方法，其基本原理為根據(jù)式將加速度功率譜密度W(f)與傳遞函數(shù)H（f）的平方相乘，即可獲得應力的功率譜密度G（f），應力功率譜密度G（f）通過傅里葉逆變換得到應力的時間歷程，然后通過雨流循環(huán)計數(shù)，獲得應力的概率密度函數(shù)，如圖。
根據(jù)Miner線性損傷累積法則可知，每一次的應力循環(huán)對結(jié)構(gòu)造成的損傷是累積疊加的，即總體損傷為。材料的S-N曲線采用冪指數(shù)形式。結(jié)構(gòu)的總體損傷為，其中E[P]為單位時間過峰值點的次數(shù)；S為應力；p(SI)為應力幅值的概率密度函數(shù)。C,m是與材料溫度、應力比和平均應力相關的常數(shù)。
3、nCode參數(shù)設置
在nCode中搭建疲勞壽命分析的流程圖。1號用于輸入頻率響應，ANSYS分析獲得的頻響格式為rst，hypermesh分析獲得的頻響格式為op2；2號用于輸入加速度功率譜密度載荷譜，載荷譜可通過多體動力學仿真軟件獲取，也可以依據(jù)振動測試的國標選取；3號用于顯示載荷譜值；4號用于設置疲勞分析參數(shù)；5號顯示疲勞壽命分布；6號顯示各節(jié)點、單元具體損傷值和壽命值；S-N曲線以及載荷的關聯(lián)是在4窗口右擊，在屬性中設置。
4、幾個需要注意的小細節(jié)
要將op2格式的頻響存放到nCode的根目錄bin文件夾下，方可讀??；
將載荷譜保存成CSV格式或者有逗號分隔符的txt格式，通過ASCIItranslate，轉(zhuǎn)換為s3m格式文件，并存放到nCode的根目錄bin文件夾下，方可讀取
也可以使用vibration generator直接輸入載荷譜，這種方式計算比較慢，推薦采用s3m格式
參數(shù)設置
1存活率設置，依據(jù)p-S-N曲線取值；2提取的應力類型，對于振動分析，有關鍵平面和最大主應力兩種方法，推薦采用后者；3平均應力修正，一般采用Goodman法；4疲勞壽命計算方法，Dirlik法，適應性強，準確度高，運速度快，優(yōu)于窄帶法、寬帶法和三區(qū)間法。其他的參數(shù)介紹可參考公眾號里nCode資料。
材料的S-N曲線，可以根據(jù)自帶的材料庫選擇，也可以依據(jù)材料的彈性模量、抗拉強度去近似估計
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