隨機振動疲勞的案例
電動車動力電池包的隨機振動疲勞仿真分析案例
車載動力電池包在電動汽車行駛過程中承受著振動載荷的持續作用，因此振動試驗是電池包可靠性試驗中的重要部分。動力電池包作為電動汽車的儲能裝置，在可靠性發生失效的情況下，尤其是當一些關鍵部件或結構失效（例如出現松動、斷裂等情況）時，電池單體或者模組將發生位移、晃動或者被擠壓的情況，這將進一步造成相關部件的加速損壞，導致漏電或者采樣傳感器的失效，甚至誘發電池性能衰減，管理系統失效、電能中斷或起火爆炸等情況的發生。因此動力電池包的振動試驗也與安全性緊密相關，一直是動力電池測試評價領域關注的重點。本文利用通用疲勞壽命分析軟件Alphatigue進行電池包的隨機振動疲勞分析。
1.有限元仿真模型
頻率響應分析采用MSC.Nastran求解，分析模型的殼單元采用CQUAD4和CTRIA3單元模擬，各部件之間通過RBE2進行連接，模型總計18473個單元和18622個節點，如圖1所示。
圖1 車載動力電池包的有限元模型
2.電池包隨機振動疲勞分析流程的模塊卡片組搭建
選擇Alphatigue圖形界面的方式快速搭建隨機振動疲勞分析流程，如圖2所示。一個完整的隨機振動疲勞分析流程共分為模型輸入與工況選擇、功率譜密度文件輸入和SN求解器三部分。
圖2針對電池包隨機振動疲勞分析流程的模塊卡片組
3.工況選擇
電池包有限元分析模型共包含PSHELL_1和PSHELL_2兩個Section，如圖3所示。加載位置為電池包與車體連接點位置。
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4.3.2 隨機振動分析結果
由Abaqus計算隨機振動，獲得均方根（RMS）應力，Mises均方根應力如圖9所示。最大應力位置出現在靠近固定的拐角處。故振動疲勞分析重點留意此區域附近。
4.3.3 隨機振動疲勞分析結果
使用fe-safe計算振動疲勞壽命，獲得算例最短的振動時間 T=10E+4.52=33113秒 ，算例模型中最短壽命區域與隨機振動分析結果相吻合。
5. 結論
本文介紹隨機疲勞壽命分析的基礎理論，并使用有限元軟件ABAQUS與Fe-safe聯合仿真技術，在基于PSD譜上，對某一啞鈴狀板梁進行了隨機振動疲勞壽命仿真分析，同時也介紹了該聯合仿真分析的流程。在分析結果中，對比了隨機振動仿真的RMS計算結果和fe-safe隨機疲勞壽命的計算結果，評估分析結果的可信度。此疲勞仿真分析技術對產品的開發有著重要的幫助，可以在產品設計階段有效控制其疲勞壽命, 指導結構設計，縮短開發周期，降低開發成本。
此外，后期我會補充一些實際項目中的應用案例，為讀者在解決實際的工程問題中提供一定的參考,敬請期待！
參考文獻
[1] 劉龍濤，李傳日，程祺. 某結構件的隨機振動疲勞分析[J]. 振動與沖擊，2013, 32(21)
[2] 林 明，謝里陽. 疲勞壽命預測頻域方法分析與比較[J]. 失效分析與預防，2016，11(5)
[3] 楊萬均，施榮明. 隨機振動應力幅值的分布規律[J]. 機械設計與研究，2011，27(6)
[4] 李西順. 基于OptiStruct的電動汽車電池包振動疲勞分析. Altair技術大會優秀論文
[5] 達索公司. Abaqus Analysis User's Manual.
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為什么要進行隨機振動疲勞分析？
如何進行隨機振動疲勞分析？
2.1 頻率響應計算
計算頭文件設置
2.2 ncode隨機振動疲勞分析
有限元結果
載荷
材料
疲勞計算模塊設置
1.為什么要進行隨機振動疲勞分析？
汽車行駛中路面的隨機激勵會引起結構的強迫振動，路試和用戶反饋出的汽車構件及焊縫開裂損壞的情況中，大部分是疲勞破壞。對路面激勵比較敏感的構件在前期開發過程中進行強度及疲勞壽命的分析顯得尤為重要，及時為產品開發提供技術指導和設計參考。
2.如何進行隨機振動疲勞分析？
下面以電池包振動疲勞分析為例描述隨機振動疲勞分析的過程（ncode15.0）。
隨機振動分析是模擬汽車行駛時路面凹凸不平造成Pack經歷這種隨機振動的載荷工況時的疲勞壽命。
按照"GB/T31467.3-7.1振動"一條要求，蓄電池包需要在振動臺上進行三個方向上振動試驗，測試從Z軸開始，然后是Y軸，最后是X軸。每個方向的測試時間是21個小時。
注1：z方向一般比y向工況嚴苛，y比x嚴苛。從最嚴苛方向開始做可以在最短時間發現問題，避免不必要的測試。但是在仿真計算中，由于采用的miner線性疲勞方法，載荷順序不影響壽命計算結果。
注2：21小時測試時間與10年或24萬公里使用時間對應。
案例
第一步：頻率響應計算(nastran或optistruct)，分別計算支架在三個方向單位動態激勵下的應力
結果中可以看到在共振峰位置頻率分別率得到了細化。
第二步：利用上面計算的頻率響應應力結果計算疲勞。
疲勞分析五框圖
1.有限元分析結果
拖入FE Input，雙擊可載入模型頻率響應有限元結果。
展開 顯卡隨機振動疲勞仿真計算
電子產品在使用過程中，難免會受到各種形式的振動沖擊，這類激勵通常具有隨機性和不確定性，迫使產品局部承受較大交變應力進而引起振動疲勞失效。本文將以顯卡模型為例，闡述如何使用ANSYS Mechanical聯合ANSYS nCode DesignLife進行隨機振動疲勞仿真。
大咖慧網絡培訓
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案例背景描述
計算幾何為簡化的顯卡模型，見下圖。PCB板、金屬支架材料為結構鋼，其余構件簡化為鋁合金。金屬支架左側3端面固定支撐，隨機振動載荷類型為G加速度譜，方向為Y向，具體數值見圖，計算該工況下的疲勞壽命。
圖 1模型
圖2 G加速度譜
1、仿真流程搭建
為提升計算效率，本例采用MSUP諧響應分析聯合nCode進行隨機振動疲勞仿真。具體模塊搭建如下：
圖 3仿真流程
注：使用該方法進行隨機振動疲勞計算時，需先將nCode模塊拖拽至“modal”模塊處，然后再將“Harmonic Response”的solution與“nCode”的solution相連，完成流程搭建。若直接將“Harmonic Response”與“nCode”相連，在后續提交計算時，軟件會提示沒有材料數據，無法進行求解計算。
展開 
基于Ncode的新能源汽車電池包隨機振動疲勞分析
2.5 輸出模型應力響應結果，作為隨機振動疲勞輸入。頻率響應分析工況設置如下圖所示：
圖3 電池包頻響分析設置
基于Ncode的隨機振動疲勞分析
3.1 頻率分析結果讀入，首先搭建疲勞分析五框圖，將頻響分析結果導入到五框圖中的FEinput模塊
圖4 隨機振動疲勞分析流程圖
3.2 定義PSD曲線，選擇Vibration on Generator，生成ZYX三個方向PSD加速度頻譜。
圖5 加速度PSD響應譜生成
3.3 振動疲勞分析設置，選擇Vibration on CAE Fatigue，建立三條振動載荷通道，分別是Z、Y及X。
在Vibration on CAE Fatigue模塊設置中，右鍵點擊Advanced Edit 點Yes；選擇duty cycle，并建立三個方向載荷，并將repeat count改為21h，即75600s。
3.4 材料設置 按照電池包安裝支架材料牌號，設置材料SN曲線，材料SN曲線如圖6所示：
圖6 材料SN曲線設置
上述步驟設置完畢后提交計算，在Ncode軟件中完成電池包隨機振動疲勞分析，分析全流程如圖7所示：
圖7 計算流程
3.5分析結果讀取
通過臺架振動疲勞分析，得到該支架最大損傷節點75842812為0.848，RMS應力值為58.16MPa，最小壽命為1.770次，即電池包振動疲勞在三個方向各經過21小時后，可以循環1.77次。
展開 兩種Ncode多軸隨機振動疲勞分析流程建立
產品結構在隨機載荷下的疲勞壽命評估，一直是工程上關心的重點，通常是對垂向、橫向及縱向三個方向進行檢測試驗，本文主要介紹如何在Ncode中建立兩種多軸隨機振動疲勞分析流程。
1、本次示例是根據標準IEC61373-2010設置隨機振動疲勞功率譜密度，檢驗某一設備長壽命情況。
2、通過有限元計算得到Ncode所識別的輸入文件，如Hypermesh的計算文件需是.op2格式（本文使用的格式），ABAQUS的計算文件是.odb。
3、第一種設置的完整多軸隨機振動疲勞分析需要至少四個模塊：FEinput、VibrationAnalysis、MultiColumn及FEOutput（個人操作習慣，在Ncode里查看結果不是很方便，導出到HyperView中查看結果）。
這里著重介紹
VibrationAnalysis
中如何設置多通道。
① 右擊VibrationAnalysis模塊選擇Advanced Edit.選擇面板中的Loading，此時僅有一個VibrationLoad。
② 將Loading Type中的Vibration換成Duty Cycle，在下方窗口中右擊LoadProviderDutyCycle增加3個Vibration Load Provide。
③ 右擊左邊導航欄的LoadProviderDutyCycle增加列表通道，這是為外部導入的列表拓展接口，其余兩個相同操作。
展開 基于hyperworks/ncode平板隨機振動疲勞壽命分析 ￥20
隨機振動疲勞分析。在hyperworks中的optistruct模塊中進行頻率響應分析得到的h3d結果文件，將其導入到ncode軟件中完成隨機振動疲勞壽命分析。
平板有限元模型
頻率響應分析（頻率為20Hz位移云圖）
功率譜輸入
損傷云圖
壽命云圖
具體操作步驟文件及相關模型文件見附件。
展開 案例分享：PCB-IC板的隨機振動疲勞分析
PCB-IC板結構通常比較薄，復雜的電氣布局和敏感的電子元件使其對振動非常敏感。持續的振動會在板上產生微小的裂縫，可能導致電子元件連接的失效，信號傳輸的中斷，甚至整個設備的故障。在某些特定的區域，由于設計、材料或工藝因素，疲勞壽命可能更短，需要特別關注。
在疲勞分析過程中，首先收集并模擬實際工作環境中可能遇到的振動譜，結合PCB-IC板的結構特性和材料行為，通過PSD掃頻方式進行隨機振動疲勞分析，識別板上可能存在的疲勞熱點區域，以指導結構改進。
PCB-IC板隨機振動疲勞壽命云圖
了解更多疲勞分析方案：
http://jsform2.com/web/formview/66390a7575a03c2416365f4f
展開 基于等效結構應力的隨機振動疲勞計算程序
本人編寫了基于等效結構應力的隨機振動疲勞計算程序，程序使用教程如下：
1. 軟件驗證
2. 建立有限元模型
3. 提取有限元模型的節點、單元信息
1) 導出有限元模型
2) 提取模型的節點及單元數據
3) 計算FullFaceShell包含的殼單元的法向向量
4. 計算模型的諧響應數據
1) 導出為有限元軟件能識別的模型文件
2) 模態分析
3) 諧響應分析
4) 讀取諧響應數據
5. 輸出載荷的PSD數據
6. 計算模型的隨機振動疲勞損傷
程序使用方便，操作簡單，適合傻瓜式操作。提供程序及售后服務。
多軸隨機載荷下支撐構件疲勞壽命評估
隨著國際標準在企業的大量采用，隨機振動疲勞試驗在振動試驗中比例越來越高。借助隨機振動疲勞仿真分析技術，在產品設計階段就可預測產品壽命，并根據壽命分布云圖直觀判斷疲勞壽命大小及薄弱位置，快速判斷設計方案的優劣，避免反復多次的試驗，縮短產品開發周期。本文將以某支撐構件受隨機振動載荷作用下疲勞壽命評估為例，介紹多軸隨機振動載荷下疲勞分析方法和流程。
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分析流程
利用ANSYS Mechanical計算出各方向激勵下應力頻響函數，然后將應力頻響函數和載荷的PSD曲線導入ANSYS Ncode軟件，定義材料的SN疲勞性能曲線，應用其振動疲勞分析求解器計算出結構應力響應的PSD，進而完成應力循環計數并計算損傷值。整個流程可以在ANSYS Workbench平臺中完成，其流程圖如下：
圖片圖1多軸隨機振動疲勞分析流程圖
頻響分析
頻響分析分析時通常施加某方向的單位加速度激勵，得到單位載荷激勵下模型各階頻率上的應力分布。在計算應力頻響函數時，所分析的頻率范圍要覆蓋PSD曲線的頻率范圍，一般取載荷PSD最大頻率范圍的1.5倍。載荷單位一定要與PSD曲線統一。對于多軸激勵，則進行多方向的頻響分析，得到模型各方向的傳遞函數。
展開 【OptiStruct要領】掃頻/定頻疲勞以及隨機振動疲勞
1）卡片相關
FATLOAD
隨機振動中，FATLOAD載荷歷程曲線為隨機振動分析得到的PSD曲線，不需要額外輸入曲線，所以TID 置空
FATPARM
加上RANDOM關鍵字
其中
FACSREND 用于計算應力值上限 2*RMS Stress*FACSREND( )
SREND 用于直接指定應力值上限
NBIN 用于計算應力分布寬度DS=SREND/NBIN
DS 用于直接指定應力分布寬度( )
STSUBID 用于引入平均應力
一般隨機振動頻率壽命預測方法可以分為時域法和頻域法.
時域法主要有三角級數法，逆傅里葉變化法以及參數模型法，首先對隨機過程進行時域模擬，得到應力響應,再應用雨流計數法，計算應力循環，再根據SN曲線和miner疊加進行壽命計算。[1]
大致步驟如下：
功率譜密度—隨機振動的時域信號—隨機幅值雨流計數—線性損傷累積
從統計學可以得到隨機信號雨流計數后幅值的均值和應力分布概率（直方圖）如下圖所示
通過應力分布概率同樣可以計算得到結構疲勞壽命，將一定應力范圍內的應力循環次數定義為所有循環次數NT 和范圍內的概率的乘積 ，即
應力范圍內的概率，有以下關系
δS即應力分布寬度。
展開 
振動疲勞分析
<p>Optistruct 2020正弦掃頻疲勞分析</p><div contenteditable="false" width="100%">
<figure class="figure-link" data-title="【OptiStruct要領】掃頻/定頻疲勞以及隨機振動疲勞" data-link="https://blog.altair.com.cn/article.html?id=ac2vp83q7dfe9kkuavv48irbbk29qk18" data-regular="true">
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</figure>
</div><p>慣性載荷、頻響分析、隨機振動分析、疲勞計算，一套流程完成。</p><p><br></p><p>DO160G中的振動</p><p>GB38031中的振動</p><p>隨機振動對比</p><p>正弦疊加隨機中的正弦載荷</p><p><br></p><p><strong>優化臨時記錄</strong></p><p>基礎模型是否滿足約束（損傷/壽命、應力、質量），定義質量目標，還是質量約束？
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step by step
一、Optistruct 頻響分析
二、nCode 振動疲勞分析
Hypermesh聯合nCode進行隨機振動疲勞壽命分析流程
隨機振動疲勞壽命預測的流程如圖所示：
一般來說，先在Optistruct中進行頻率響應分析，獲得單位加速度激勵下結構的響應，輸出op2格式的傳遞函數；然后在nCode中輸入頻率傳遞函數，輸入GB中的隨機振動功率譜密度，如圖所示
材料的S-N曲線，根據彈性模量和UTS極限抗拉強度大體擬合，關聯載荷，即可進行疲勞壽命計算。其中一般抽取ABS Principal stress為應力的循環，存活率取50%，應力循環計數方法為Dirlik。
來源：電池包設計與仿真優化
