振動疲勞壽命的案例
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【8月10-12日 西安 斯姆勒】ANSYS工程結構振動及疲勞壽命預測專題培訓
【8月10-12日 西安 斯姆勒】ANSYS工程結構振動及疲勞壽命預測專題培訓
技術鄰公告 6月6日1444
各企事業單位：
振動是大多數工程結構的作業環境，設計不當，會引起結構共振、動強度失效以及發生疲勞破壞等一系列問題。本課程基于ANSYS WORKBENCH平臺，全面系統地講解工程結構動力學計算的原理、不同動力學計算模塊的適用條件及設置方法和技巧、振動結構疲勞壽命預測、焊縫疲勞壽命預測等分析方法和常見工程熱點和難點問題的處理措施，基于理論聯系實際的培訓思想，通過實例強化軟件的使用幫助設計人員解決具體的振動力學和結構疲勞壽命預測問題。斯姆勒數值仿真技術研究院特舉辦“ANSYS工程結構振動及疲勞壽命預測專題培訓”工程高級專題培訓，具體內容如下：
一、培訓目標
（一）、理解振動力學和疲勞壽命計算的原理；
（二）、掌握結構動力學分析的技巧和適用條件；
（三）、掌握結構動力學參數測量實驗方法和數字信號處理技巧；
（四）、掌握振動結構疲勞壽命預測分析方法；
（五）、培養獨立結構的動力學分析能力。
二、主講專家
寧老師：力學博士，畢業于西安交通大學航空航天學院。擁有豐富的科研及工程技術經驗，長期從事有限元領域應用研究，具有資深的技術底蘊和專業背景。擅長靜力學，模態分析，隨機振動/譜分析，瞬態動力學時程分析，轉子動力學分分析、線性/非線性后屈曲分析，損傷斷裂力學分析，復合材料分析、壓電分析，熱分析，顯式動力學分析，流體力學分析，多場耦合分析，ANSYS二次開發等仿真分析。善于利用ANSYS進行二次開發解決特定領域科研/工程問題。
展開 【10月26-28日 西安 斯姆勒】ANSYS工程結構振動及疲勞壽命預測專題培訓
各企事業單位：
振動是大多數工程結構的作業環境，設計不當，會引起結構共振、動強度失效以及發生疲勞破壞等一系列問題。本課程基于ANSYS WORKBENCH平臺，全面系統地講解工程結構動力學計算的原理、不同動力學計算模塊的適用條件及設置方法和技巧、振動結構疲勞壽命預測、焊縫疲勞壽命預測等分析方法和常見工程熱點和難點問題的處理措施，基于理論聯系實際的培訓思想，通過實例強化軟件的使用幫助設計人員解決具體的振動力學和結構疲勞壽命預測問題。斯姆勒數值仿真技術研究院特舉辦“ANSYS工程結構振動及疲勞壽命預測專題培訓”工程高級專題培訓，具體內容如下：
一、培訓目標
（一）、理解振動力學和疲勞壽命計算的原理；
（二）、掌握結構動力學分析的技巧和適用條件；
（三）、掌握結構動力學參數測量實驗方法和數字信號處理技巧；
（四）、掌握振動結構疲勞壽命預測分析方法；
（五）、培養獨立結構的動力學分析能力。
二、主講專家
寧老師：力學博士，畢業于西安交通大學航空航天學院。擁有豐富的科研及工程技術經驗，長期從事有限元領域應用研究，具有資深的技術底蘊和專業背景。擅長靜力學，模態分析，隨機振動/譜分析，瞬態動力學時程分析，轉子動力學分分析、線性/非線性后屈曲分析，損傷斷裂力學分析，復合材料分析、壓電分析，熱分析，顯式動力學分析，流體力學分析，多場耦合分析，ANSYS二次開發等仿真分析。善于利用ANSYS進行二次開發解決特定領域科研/工程問題。
展開 【10月26-28日 西安 斯姆勒】ANSYS工程結構振動及疲勞壽命預測專題培訓
各企事業單位：
振動是大多數工程結構的作業環境，設計不當，會引起結構共振、動強度失效以及發生疲勞破壞等一系列問題。本課程基于ANSYS WORKBENCH平臺，全面系統地講解工程結構動力學計算的原理、不同動力學計算模塊的適用條件及設置方法和技巧、振動結構疲勞壽命預測、焊縫疲勞壽命預測等分析方法和常見工程熱點和難點問題的處理措施，基于理論聯系實際的培訓思想，通過實例強化軟件的使用幫助設計人員解決具體的振動力學和結構疲勞壽命預測問題。斯姆勒數值仿真技術研究院特舉辦“ANSYS工程結構振動及疲勞壽命預測專題培訓”工程高級專題培訓，具體內容如下：
一、培訓目標
（一）、理解振動力學和疲勞壽命計算的原理；
（二）、掌握結構動力學分析的技巧和適用條件；
（三）、掌握結構動力學參數測量實驗方法和數字信號處理技巧；
（四）、掌握振動結構疲勞壽命預測分析方法；
（五）、培養獨立結構的動力學分析能力。
二、主講專家
寧老師：力學博士，畢業于西安交通大學航空航天學院。擁有豐富的科研及工程技術經驗，長期從事有限元領域應用研究，具有資深的技術底蘊和專業背景。擅長靜力學，模態分析，隨機振動/譜分析，瞬態動力學時程分析，轉子動力學分分析、線性/非線性后屈曲分析，損傷斷裂力學分析，復合材料分析、壓電分析，熱分析，顯式動力學分析，流體力學分析，多場耦合分析，ANSYS二次開發等仿真分析。善于利用ANSYS進行二次開發解決特定領域科研/工程問題。
展開 
【1月11-13日 西安 斯姆勒】結構振動、跌落、沖擊與疲勞壽命計算高級工程應用
5.PSD分析設置 6.隨機振動疲勞
7.工程實例：電路板的隨機振動分析
振動疲勞壽命計算
掌握振動疲勞壽命計算方法
1.
疲勞壽命評估-三區間法（內容已全部公開-有視頻詳解） ￥1
已更新基于Workbench平臺的nCode隨機振動疲勞壽命分析的視頻介紹，實操+講解。
三區間法又稱為三帶技術，是Steinberg通過整理與重新編排大量的試驗數據，提出的一種基于高斯分布與Miner準則的簡化方法，可用于分析結構在隨機振動環境下的疲勞壽命。它具有合理的準確度與精度，可以滿足大多數工程要求。首先假設結構受到的隨機激勵服從高斯分布，1σ水平的瞬時加速度作用在-1σ和+1σ之間的時間占68.3%，2σ水平的瞬時加速度作用在-2σ和+2σ之間的時間占27.1%（95.4%－68.3%），3σ水平的瞬時加速度作用在-3σ和+3σ之間的時間占4.33%（99.73%－95.4%），如下圖所示。
利用1σ、2σ和3σ應力水平與振動頻次，再使用S-N曲線與Miner準則來計算焊點的疲勞損傷，從而得到振動疲勞壽命。疲勞損傷具體計算公式如下：
上式中
N1σ、N2σ和N3σ分別是從S-N曲線得到的1σ、2σ和3σ應力水平所對應的循環次數。
對于n1σ、n2σ和n3σ的計算，主要分兩種情況：
（1）只考慮PCB的一階固有頻率（基頻）
假設PCB是單自由度系統，也就是只考慮基頻，有：
其中fn為PCB的基頻，T為振動載荷施加時間，vn=fn·T為振動頻次。上述計算方式，可以看做對PCB施加的是窄帶隨機振動，只激勵PCB的基頻。
則更根據Miner準則和Basquin公式：
公式推理：
由上式可知1.953σ應力水平作用T時間造成的疲勞損傷與1σ、2σ和3σ應力水平分別作用0.683T、0.271T和0.0433T造成的累積損傷相同。因此，只要知道1σ應力水平值、焊點材料的S-N曲線、PCB基頻以及隨機振動載荷施加時間，即可計算累積損傷，從而預計疲勞壽命。
展開 聯合ABAQUS與Fe-safe的隨機振動疲勞分析（隨機疲勞理論及有限元軟件操作講解） ￥25
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.
展開 基于nCodeDesignlife的電池箱疲勞壽命研究
摘要：針對電池箱對振動疲勞耐久性能的要求，結合國標中隨機振動的加速度功率譜密度函數和材料的S-N曲線，采用Miner線性累積損傷理論和Dirlik疲勞壽命計算方法，對電池箱進行隨機振動條件下的疲勞壽命分析。
關鍵詞：電池箱；疲勞壽命;隨機振動；nCodeDesignlife
路面不平度產生的隨機振動是造成電動汽車零部件發生疲勞破壞的主要因素[1]。電池箱對電池組起防護和保障安全的作用，其疲勞耐久性能對于保障車輛及乘員安全至關重要。
電池箱的疲勞壽命分析主要有時域和頻域方法。時域法采用經典的雨流循環計數統計載荷信息，容易丟失載荷數據，計算量大，工程應用不是很廣泛;頻域法從概率統計的角度統計載荷信息，采用功率譜密度（PSD）描述隨機振動載荷在各個頻率成分上的統計特性[2]，廣泛應用于航天、海工、汽車等領域。目前電池箱的疲勞壽命研究[3-5]大多致力于時域振動和定頻振動，隨機振動的疲勞壽命研究較少。本文基于頻率響應分析研究電池箱隨機振動的疲勞壽命，為電池箱的疲勞壽命分析提供一種高效的方法。
1 隨機振動疲勞壽命分析方法
本文參照電池箱振動測試的國標選取加速度功率譜密度，避免建立整車模型和提取加速度載荷譜的復雜過程。
1.1 加速度功率譜密度
隨機振動無法用確定的函數關系式表示，只能通過概率統計的方法表示。在頻域內，采用功率譜密度函數表示隨機振動在各個頻率的統計特性[6]。功率譜密度函數Sx(ω)為自相關函數R(τ)的傅里葉變換公式為：
GB/T 31467.3-2015[7]中規定電池箱隨機振動的加速度功率譜密度如圖1所示。
圖1 加速度功率譜密度
1.2 疲勞壽命計算方法
Dirlik計算方法是疲勞仿真軟件nCodeDesignlife所采用的方法。
展開 頻域振動疲勞計算的最新技術（二）
頻域振動疲勞計算的最新技術（二）
MSC Nastran的頻域振動疲勞壽命預測(NEVF)的工程應用
概述
在《振動疲勞計算的最新技術（一）》里，我們比較了準靜態、時域振動和頻域振動三種疲勞損傷計算方法以及它們的適用范圍， 并介紹了MSC
Nastran最新推出的頻域振動疲勞壽命預測(NEVF)的功能及其技術突破與優勢。本文介紹MSC
Nastran的頻域振動疲勞壽命預測(NEVF)的實際工程應用。
北美商用車發動機生產巨頭納威司達（Navistar）公司利用NEVF對某裝在冷卻模塊頂部的散熱器托架進行了疲勞損傷和壽命計算，該托架承受載荷是正弦掃描和振動臺隨機的組合載荷。納威司達公司在2017年6月瑞典斯德歌爾摩召開的
NAFEMS 國際會議上發表了其研究結果。這個應用案例具有普遍性，其它行業可以借鑒和參考。
正弦掃描 + 隨機振動的疲勞分析（納威司達（Navistar），Ramesh Gannamani）[1]
20世紀80年代已經出現有效計算寬帶隨機振動的方法，而且商業軟件（比如MSC Nastran）中提供了應力響應的功率普密度計算功能，也有了時間歷程的雨流計數法以及疲勞損傷的預測手段。但是在日常的開發設計中，仍然存在一些問題和局限。
首先，對于大型計算模型，為了進行疲勞分析，必須生成和儲存應力傳遞函數，這些文件非常龐大。作為一種后處理的疲勞壽命計算，對于大型計算模型來說很困難。另外，不能實現隨機載荷與確定載荷的組合也是一個實際的瓶頸，而類似MILHDBK-810G的標準環境測試普遍需要該項功能（圖1）。幸運的是MSC
Nastran最新推出的頻域振動疲勞壽命預測(NEVF)能夠很好地克服這個瓶頸。
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 基于hyperworks/ncode平板定頻振動疲勞壽命分析 ￥20
定頻振動疲勞分析。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軟件中完成定頻振動疲勞壽命分析，定頻20Hz，振幅大小0.25g，振動時間1h。
平板有限元模型
頻率響應分析（頻率為20Hz位移云圖）
損傷云圖
壽命云圖
相關說明文件及模型文件見附件。
展開 
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
基于hyperworks/ncode平板正弦掃頻振動疲勞壽命分析 ￥25
正弦掃頻振動疲勞分析。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軟件中完成正弦掃頻振動疲勞壽命分析。
平板有限元模型
頻率響應分析（頻率為20Hz位移云圖）
正弦掃頻輸入
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 基于hyperworks/ncode平板多軸振動疲勞壽命分析 ￥15
多軸振動疲勞分析：本案例在x、y、z三個方向對激勵點施加振動，進而分析研究對象在多軸載荷作用下振動疲勞特性。首先在hyperworks中的optistruct模塊中對激勵點進行x、y、z三個方向的頻率響應分析得到的h3d結果文件，接著將其導入到ncode軟件中完成多軸振動疲勞壽命分析。
電動汽車動力電池振動疲勞性能優化
電池包200Hz以上共有68階模態，其中前8階皆為上蓋模態（表1），電池上蓋剛度差，模態頻率低，是振動疲勞風險區域，需在后續分析中關注。根據模態分析結果對電池進行頻響分析，由上蓋中心點頻響結果，Z向響應遠大于X向/Y向響應，動力電池振動疲勞風險為Z向振動時上蓋位置。
表1動力電池模態分析
階次
模態頻率Hz
模態振型
1
23.26
上蓋頂面1階凹凸
2
31.80
上蓋頂面2階凹凸
3
36.94
上蓋頂面3階凹凸
4
42.07
上蓋頂面4階凹凸
5
48.43
上蓋頂面5階凹凸
6
56.28
上蓋頂面6階凹凸
7
56.40
上蓋頂/側面4階凹凸
8
65.70
上蓋頂面7階凹凸
圖4 電池上蓋中心點頻響
2.3振動疲勞分析
根據動力電池模態、頻響分解結果以及標準振動載荷，使用頻域法振動疲勞計算，X向振動分析在截止壽命（1e+30）之外，無振動疲勞風險；Y向振動分析最小壽命2.157e+13，無振動疲勞風險；Z向振動分析最小壽命2.748e+4，有一定風險，風險位置為電池上蓋。針對電池上蓋存在的振動疲勞風險，需進行優化將CAE計算振動疲勞壽命提高到2e+5以上。
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