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頻響應(yīng)力

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創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-09-02

頻響應(yīng)力的視頻教程

國(guó)產(chǎn)CAE——中望結(jié)構(gòu)仿真2021
國(guó)產(chǎn)CAE——中望結(jié)構(gòu)仿真2021

采用有限元法計(jì)算結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題，包含靜應(yīng)力分析、模態(tài)分析、頻響分析、熱應(yīng)力分析等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析模塊，涵蓋梁、板、殼、薄膜、彈簧-阻尼、實(shí)體等各種單元類型。同時(shí)支持材料非線性和幾何非線性，以及Gap單元、RBE2單元涉及的約束方程問(wèn)題的求解。 隨便錄制的視頻，佛系，歡迎一起來(lái)調(diào)教，多多批評(píng)指正軟件！

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頻響應(yīng)力圖1

頻響應(yīng)力的實(shí)例教程

在頻響分析中，如果我們?cè)O(shè)置單位正弦激勵(lì)，針對(duì)某個(gè)頻段上的多個(gè)頻率點(diǎn)計(jì)算響應(yīng)，其響應(yīng)結(jié)果就叫做頻響函數(shù)（以激勵(lì)頻率為橫坐標(biāo)）。這個(gè)單位正弦激勵(lì)可以是力、力矩或壓力，也可以是位移、速度或者加速度。激勵(lì)的單位也不局限于國(guó)際單位制，比如單位加速度激勵(lì)，可以用1.0m/s2的加速度，也可以用1.0g的加速度，當(dāng)然最后計(jì)算得出的頻響函數(shù)的含義也不相同。 頻響函數(shù)表征了線性系統(tǒng)在給定頻率下的穩(wěn)態(tài)輸出與輸入的關(guān)系。這個(gè)關(guān)系具體是指輸出輸入的幅值之比與激勵(lì)頻率的函數(shù)關(guān)系，和輸出輸入的相位差與激勵(lì)頻率的函數(shù)關(guān)系。這兩個(gè)關(guān)系稱為線性系統(tǒng)的頻響特性。頻率響應(yīng)函數(shù)是復(fù)函數(shù)，可分解為幅頻特性曲線和相頻特性曲線分別研究。 如果我們研究的系統(tǒng)響應(yīng)為結(jié)構(gòu)應(yīng)力，則此時(shí)的頻響函數(shù)叫做應(yīng)力頻響函數(shù)，也叫作頻響應(yīng)力。頻響應(yīng)力表征的是單位正弦激勵(lì)下的應(yīng)力張量響應(yīng)，它包含了各應(yīng)力分量的頻率響應(yīng)曲線。通常我們更關(guān)心這些應(yīng)力分量的合成效果，即Von Mises應(yīng)力的頻響曲線。頻響應(yīng)力曲線的峰值點(diǎn)一般是對(duì)應(yīng)著結(jié)構(gòu)的某階固有頻率。 圖1展示了某電池包分別承受X、Y和Z向加速度激勵(lì)時(shí)，殼體上某點(diǎn)的Von Mises應(yīng)力頻響曲線。 圖1 結(jié)構(gòu)上某點(diǎn)von Mises應(yīng)力的頻響曲線 在計(jì)算頻響應(yīng)力時(shí)，應(yīng)設(shè)置符合實(shí)際情況的阻尼。如果沒有具體試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)于汽車車身結(jié)構(gòu)而言，建議模態(tài)阻尼（臨界阻尼系數(shù)，即Nastran中CRIT形式）設(shè)置為0.02。
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問(wèn)題： Ansys workbench進(jìn)行諧響應(yīng)仿真計(jì)算的后處理結(jié)果中，提供了單一頻率下的Von Mises應(yīng)力查看功能和應(yīng)力頻響曲線功能，但是應(yīng)力頻響曲線的應(yīng)力列表中沒有Von Mises應(yīng)力查看項(xiàng)。因?yàn)閂on Mises應(yīng)力太常用，所以這就給我們?cè)谡麄€(gè)掃頻范圍內(nèi)，定位Von Mises應(yīng)力的最大頻率和應(yīng)力值帶來(lái)一定的困難。如下所示。 需求： 希望后處理結(jié)果中可以在應(yīng)力響應(yīng)曲線中，有一項(xiàng)Von Mises應(yīng)力選項(xiàng)。實(shí)現(xiàn)每個(gè)掃頻點(diǎn)的最大Von Mises應(yīng)力和掃頻頻率的曲線圖顯示，從而一眼就看出產(chǎn)品在整個(gè)掃頻范圍內(nèi)，哪個(gè)頻率下結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力最大。而后再通過(guò)應(yīng)力云圖查看這個(gè)頻率下的Von Mises應(yīng)力。 解決方法： 利用APDL命令實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)要流程為：首先，讀取每一個(gè)掃頻點(diǎn)的最大Von Mises應(yīng)力值。記下應(yīng)力值、頻率值和最大節(jié)點(diǎn)號(hào)。再統(tǒng)計(jì)記錄的所有掃頻點(diǎn)的Von Mises應(yīng)力值，提取整個(gè)掃頻過(guò)程中最大應(yīng)力值及其頻率。并將結(jié)果寫出到txt文件。進(jìn)一步提取這個(gè)最大Von Mises應(yīng)力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的整個(gè)掃頻范圍內(nèi)的Von Mises應(yīng)力曲線。 這個(gè)樣就可以在txt文檔中直接看到所有掃頻點(diǎn)下，結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力幅值；以及全頻段中最大Von Mises應(yīng)力所在節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力掃頻曲線圖。 效果展示如下： 在結(jié)果文件夾中，會(huì)生成一個(gè)txt結(jié)果文件和一張Von Mises應(yīng)力曲線圖。如此我們可以直觀注意到，在當(dāng)前掃頻范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)在78.95Hz時(shí)應(yīng)力最大約為17.552Mpa。 結(jié)果后處理問(wèn)題示例： Ansys workbench進(jìn)可以查看某個(gè)頻率下的 Von Mises應(yīng)力幅值 Ansys workbench進(jìn)掃頻應(yīng)力響應(yīng)曲線中，應(yīng)力選項(xiàng)卻沒有Von Mises應(yīng)力選型，只能按三個(gè)方向來(lái)分別查看。
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報(bào)名方式 分析流程 利用ANSYS Mechanical計(jì)算出各方向激勵(lì)下應(yīng)力頻響函數(shù)，然后將應(yīng)力頻響函數(shù)和載荷的PSD曲線導(dǎo)入ANSYS Ncode軟件，定義材料的SN疲勞性能曲線，應(yīng)用其振動(dòng)疲勞分析求解器計(jì)算出結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的PSD，進(jìn)而完成應(yīng)力循環(huán)計(jì)數(shù)并計(jì)算損傷值。整個(gè)流程可以在ANSYS Workbench平臺(tái)中完成，其流程圖如下： 圖片圖1多軸隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析流程圖 頻響分析 頻響分析分析時(shí)通常施加某方向的單位加速度激勵(lì)，得到單位載荷激勵(lì)下模型各階頻率上的應(yīng)力分布。在計(jì)算應(yīng)力頻響函數(shù)時(shí)，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(tǒng)一。對(duì)于多軸激勵(lì)，則進(jìn)行多方向的頻響分析，得到模型各方向的傳遞函數(shù)。 圖2 支架三個(gè)方向諧響應(yīng)分析 圖3 應(yīng)力響應(yīng)曲線 多軸隨機(jī)振動(dòng)載荷譜輸入 隨機(jī)振動(dòng)載荷常用PSD功率譜密度來(lái)表達(dá)，針對(duì)不同的振動(dòng)環(huán)境可以參考相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)查取。載荷譜的輸入在ANSYSNCODE來(lái)完成，通過(guò)ANSYS NCODE 振動(dòng)載荷生成器產(chǎn)生相應(yīng)的PSD譜，將PSD譜導(dǎo)入到載荷譜編輯器中同各方向諧響應(yīng)傳遞函數(shù)相關(guān)聯(lián)。 1、多軸隨機(jī)載荷順序發(fā)生 通常在多軸隨機(jī)載荷應(yīng)用于模擬振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架時(shí)，每次施加一個(gè)方向的激勵(lì)，各方向激勵(lì)載荷需要依次施加。為了模擬這種試驗(yàn)環(huán)境，需要利用ANSYS NCODE載荷譜類型Duty Cycle來(lái)定義相應(yīng)的載荷譜。
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在掃頻中，按照NF/DF對(duì)直接求解得到的頻響函數(shù)應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行采樣得到指定頻率下的應(yīng)力結(jié)果。應(yīng)用該應(yīng)力結(jié)果計(jì)算單次循環(huán)產(chǎn)生的損傷。如果存在平均應(yīng)力，可考慮平均應(yīng)力修正。 通過(guò)兩種不同掃頻方式計(jì)算相對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。 SRUNIT= HZPS 以Hz/s 的速度進(jìn)行掃頻 f是某個(gè)需要計(jì)算的頻率（NF/DF指定的） SRUNIT=OCTPRM 以oct/m 的速度進(jìn)行掃頻 得到這兩個(gè)參數(shù)后，就可以計(jì)算整個(gè)掃頻/定頻中的疲勞損傷/壽命。 3）MODEL FATLOAD卡片上的SWEEP字段HyperMesh2017版本g：需要在.fem文件中手動(dòng)修改 a、定頻 FATLOAD SR=0 表示定頻，此時(shí)頻率為FREQ的第一個(gè)頻率 這里我們只定義了一個(gè)頻率點(diǎn)。 FATPARM 同樣在FATPARM中指定為掃頻模式。 Sweep后面的1表示一個(gè)點(diǎn)，當(dāng)然當(dāng)SR=0時(shí)，DF/NF參數(shù)定義將被忽略。 FATSEQ中定義1s的時(shí)長(zhǎng) 結(jié)果：最危險(xiǎn)點(diǎn)的疲勞壽命為3.97e5 秒 b、 掃頻 FREQ1中我們定義了10個(gè)頻率點(diǎn)，從10Hz開始每隔20Hz采樣。 掃頻中定義掃頻速度為20Hz/s FATPARM中定義了10個(gè)采樣點(diǎn)。 結(jié)果 2. 隨機(jī)疲勞 隨機(jī)疲勞在2017.2 版本中僅支持單軸疲勞，等效應(yīng)力為vonMises的情況。
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4.3 仿真結(jié)果 4.3.1 頻響分析結(jié)果 算例的頻響分析結(jié)果見圖8，圖中為梁的末端位置的加速度響應(yīng)結(jié)果。 4.3.2 隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果 由Abaqus計(jì)算隨機(jī)振動(dòng)，獲得均方根（RMS）應(yīng)力，Mises均方根應(yīng)力如圖9所示。最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在靠近固定的拐角處。故振動(dòng)疲勞分析重點(diǎn)留意此區(qū)域附近。 4.3.3 隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析結(jié)果 使用fe-safe計(jì)算振動(dòng)疲勞壽命，獲得算例最短的振動(dòng)時(shí)間 T=10E+4.52=33113秒 ，算例模型中最短壽命區(qū)域與隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果相吻合。 5. 結(jié)論 本文介紹隨機(jī)疲勞壽命分析的基礎(chǔ)理論，并使用有限元軟件ABAQUS與Fe-safe聯(lián)合仿真技術(shù)，在基于PSD譜上，對(duì)某一啞鈴狀板梁進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命仿真分析，同時(shí)也介紹了該聯(lián)合仿真分析的流程。在分析結(jié)果中，對(duì)比了隨機(jī)振動(dòng)仿真的RMS計(jì)算結(jié)果和fe-safe隨機(jī)疲勞壽命的計(jì)算結(jié)果，評(píng)估分析結(jié)果的可信度。此疲勞仿真分析技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的開發(fā)有著重要的幫助，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段有效控制其疲勞壽命, 指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。 此外，后期我會(huì)補(bǔ)充一些實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用案例，為讀者在解決實(shí)際的工程問(wèn)題中提供一定的參考,敬請(qǐng)期待！ 參考文獻(xiàn) [1] 劉龍濤，李傳日，程祺. 某結(jié)構(gòu)件的隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析[J]. 振動(dòng)與沖擊，2013, 32(21) [2] 林 明，謝里陽(yáng). 疲勞壽命預(yù)測(cè)頻域方法分析與比較[J]. 失效分析與預(yù)防，2016，11(5) [3] 楊萬(wàn)均，施榮明. 隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力幅值的分布規(guī)律[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2011，27(6) [4] 李西順. 基于OptiStruct的電動(dòng)汽車電池包振動(dòng)疲勞分析.
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頻響應(yīng)力圖2

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問(wèn)題： Ansys workbench進(jìn)行諧響應(yīng)仿真計(jì)算的后處理結(jié)果中，提供了單一頻率下的Von Mises應(yīng)力查看功能和應(yīng)力頻響曲線功能，但是應(yīng)力頻響曲線的應(yīng)力列表中沒有Von Mises應(yīng)力查看項(xiàng)。因?yàn)閂on Mises應(yīng)力太常用，所以這就給我們?cè)谡麄€(gè)掃頻范圍內(nèi)，定位Von Mises應(yīng)力的最大頻率和應(yīng)力值帶來(lái)一定的困難。如下所示。
報(bào)名方式 分析流程 利用ANSYS Mechanical計(jì)算出各方向激勵(lì)下應(yīng)力頻響函數(shù)，然后將應(yīng)力頻響函數(shù)和載荷的PSD曲線導(dǎo)入ANSYS Ncode軟件，定義材料的SN疲勞性能曲線，應(yīng)用其振動(dòng)疲勞分析求解器計(jì)算出結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的PSD，進(jìn)而完成應(yīng)力循環(huán)計(jì)數(shù)并計(jì)算損傷值。
2.2 應(yīng)力功率譜密度 結(jié)構(gòu)激勵(lì)信號(hào)的功率譜密度為W( f )，則應(yīng)力功率譜密度為： 其中，H ( f )為應(yīng)力頻響函數(shù)。
如果我們研究的系統(tǒng)響應(yīng)為結(jié)構(gòu)應(yīng)力，則此時(shí)的頻響函數(shù)叫做應(yīng)力頻響函數(shù)，也叫作頻響應(yīng)力。頻響應(yīng)力表征的是單位正弦激勵(lì)下的應(yīng)力張量響應(yīng)，它包含了各應(yīng)力分量的頻率響應(yīng)曲線。通常我們更關(guān)心這些應(yīng)力分量的合成效果，即Von Mises應(yīng)力的頻響曲線。頻響應(yīng)力曲線的峰值點(diǎn)一般是對(duì)應(yīng)著結(jié)構(gòu)的某階固有頻率。
在掃頻中，按照NF/DF對(duì)直接求解得到的頻響函數(shù)應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行采樣得到指定頻率下的應(yīng)力結(jié)果。應(yīng)用該應(yīng)力結(jié)果計(jì)算單次循環(huán)產(chǎn)生的損傷。如果存在平均應(yīng)力，可考慮平均應(yīng)力修正。 通過(guò)兩種不同掃頻方式計(jì)算相對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。