隨機疲勞損傷的案例
基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的隨機振動疲勞計算程序
本人編寫了基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jié)點、單元信息
1) 導(dǎo)出有限元模型
2) 提取模型的節(jié)點及單元數(shù)據(jù)
3) 計算FullFaceShell包含的殼單元的法向向量
4. 計算模型的諧響應(yīng)數(shù)據(jù)
1) 導(dǎo)出為有限元軟件能識別的模型文件
2) 模態(tài)分析
3) 諧響應(yīng)分析
4) 讀取諧響應(yīng)數(shù)據(jù)
5. 輸出載荷的PSD數(shù)據(jù)
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(wù)。
聯(lián)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
當不規(guī)則因子γ接近0時，平穩(wěn)過程X(t) 符合寬帶隨機過程。當不規(guī)則因子γ趨向于1時，平穩(wěn)過程X(t)符合窄帶隨機過程。
2.4 隨機振動疲勞壽命計算
振動耐久理論研究興起于20世紀80年代末，很多學(xué)者專家為此做了很多研究，因此振動疲勞壽命的計算方法也比較多，其中Dirlik算法具有廣泛的應(yīng)用范圍，且計算結(jié)果與試驗結(jié)果最接近，成為基于功率譜密度計算疲勞失效的首選算法，已被大多數(shù)商用疲勞分析軟件采用。
2.4.1 Dirlik 雨流幅值分布模型
Dirlik通過Monte Carlo技術(shù)時域模擬，研究并總結(jié)出用1個經(jīng)驗表達式去估計雨流循環(huán)幅值的概率密度函數(shù)，即應(yīng)力幅值概率密度函數(shù)P(S)的經(jīng)驗表達式為
m 0，m1，m2，m4 分別為功率譜密度函數(shù)的0，1，2，4階慣性矩；
γ 為不規(guī)則因子。
2.4.2 累積損傷理論與疲勞壽命計算
根據(jù)Miner線性累積損傷理論，結(jié)構(gòu)的材料疲勞損傷為
式中，ni表示應(yīng)力水平Si下實際應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，Ni表示應(yīng)力水平為Si時的結(jié)構(gòu)疲勞壽命。
對于連續(xù)狀態(tài)，在時間T內(nèi)和應(yīng)力范圍（Si，Si+ΔSi）內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為
按照Miner線性累積損傷理論，當損傷值D=1時，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，此時疲勞壽命為
因此，只有計算出應(yīng)力幅值概率密度函數(shù)P(S)，即可預(yù)測出結(jié)構(gòu)的隨機振動疲勞壽命。
3. 隨機振動疲勞分析流程
針對結(jié)構(gòu)的隨機振動疲勞的仿真，這里采用ABAQUS與Fe-safe聯(lián)合仿真，仿真流程如下圖所示：
圖3 隨機振動疲勞仿真流程
4.
展開 利用ANSYS隨機振動分析功能實現(xiàn)隨機疲勞分析
利用ANSYS隨機振動分析功能實現(xiàn)隨機疲勞分析
[日期： 2005-5-19 13:05:51]
來源： 作者：
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ANSYS隨機振動分析功能可以獲得結(jié)構(gòu)隨機振動響應(yīng)過程的各種統(tǒng)計參數(shù)（如：均值、均方根和平均頻率等），根據(jù)各種隨機疲勞壽命預(yù)測理論就可以成功地預(yù)測結(jié)構(gòu)的隨機疲勞壽命。本文介紹了ANSYS隨機振動分析功能，以及利用該功能，按照Steinberg提出的基于高斯分布和Miner線性累計損傷定律的三區(qū)間法進行ANSYS隨機疲勞計算的具體過程。
１．隨機疲勞現(xiàn)象普遍存在
在工程應(yīng)用中，汽車、飛行器、船舶以及其它各種機械或零部件，大多是在隨機載荷作用下工作，當它們承受的應(yīng)力水平較高，工作達到一定時間后，經(jīng)常會突然發(fā)生隨機疲勞破壞，往往造成災(zāi)難性的后果。因此，預(yù)測結(jié)構(gòu)或零部件的隨機疲勞壽命是非常有必要的。
2．ANSYS隨機振動分析功能介紹
ANSYS隨機振動分析功能十分強大，主要表現(xiàn)在以下方面：
1. 具有位移、速度、加速度、力和壓力等PSD類型；
2. 能夠考慮a阻尼、b阻尼、恒定阻尼比和頻率相關(guān)阻尼比；
3. 能夠定義基礎(chǔ)和節(jié)點PSD激勵；
4. 能夠考慮多個PSD激勵之間的相關(guān)程度：共譜值、二次譜值、空間關(guān)系和波傳播關(guān)系等；
5.
展開 【OptiStruct要領(lǐng)】掃頻/定頻疲勞以及隨機振動疲勞
那么今天就先從《 OptiStruct 中的掃頻/定頻疲勞以及隨機振動疲勞》開始我們的專題第一講吧。
振動疲勞相對于靜態(tài)工況和瞬態(tài)工況的疲勞在OptiStruct中定義的主要區(qū)別在于：
?n 載荷曲線（FATLOAD）
? 疲勞控制參數(shù)的差異（FATPARM）
其他關(guān)于材料 SN 曲線及疲勞分析單元 (FATDEF) 的定義與靜態(tài)/瞬態(tài)工況分析相同，這里就不贅述了。
本期我們就來詳細介紹 FATLOAD，F(xiàn)ATPARM 這兩部分~
1. 掃頻/定頻疲勞
掃頻以及定頻疲勞在 2017.2 版本中僅支持單軸疲勞，疲勞分析支持實體和殼單元，可以做 SN/EN疲勞。
1）卡片相關(guān)
FATLOAD
在原來的卡片的基礎(chǔ)上，加上SWEEP關(guān)鍵字，掃頻速度（SR）以及掃頻單位（按Hz/倍頻掃）。當SR=0，表示定頻疲勞，此時頻率為FREQ（i）中的第一個頻率。需要注意的是在掃頻/定頻疲勞中，一個FATEVNT中僅支持單個FATLOAD，不支持應(yīng)力疊加。
FATPARM
同樣加上SWEEP 關(guān)鍵字，NF/DF 指定參與掃頻的頻率個數(shù)/增量；如果當前取到的頻率點沒有對應(yīng)的應(yīng)力結(jié)果，則用前后的頻率結(jié)果進行插值得到其應(yīng)力。如果定義了NF則忽略DF。STSUBID指定靜力工況，用于引入平均應(yīng)力。
2）損傷/壽命計算
a、定頻疲勞的損傷計為損傷量和總時長的乘積。
's o 損傷量可以由該頻率下的應(yīng)力結(jié)果和材料的 SN 曲線確定在定頻疲勞中 FATSEQ 直接指定T(總時長)
b、掃頻疲勞的損傷則是計算頻率段內(nèi)各采樣頻率上的損傷（=單循環(huán)損傷*循環(huán)次數(shù)），然后再疊加。
從上面的定義可知，重點在于確定循環(huán)次數(shù)以及單次循環(huán)的損傷量。
單次循環(huán)的損傷量可以由該頻率下的應(yīng)力結(jié)果和材料的SN曲線確定。
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『分享』利用ANSYS隨機振動分析功能實現(xiàn)隨機疲勞分析
利用ANSYS隨機振動分析功能實現(xiàn)隨機疲勞分析
顯卡隨機振動疲勞仿真計算
電子產(chǎn)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(chǎn)品局部承受較大交變應(yīng)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(lián)合ANSYS nCode DesignLife進行隨機振動疲勞仿真。
大咖慧網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)
2022年5月24日-26日，安世亞太大咖慧推出電子行業(yè)疲勞壽命專題線上培訓(xùn)，專題講座包含：隨機振動載荷下支撐構(gòu)件疲勞壽命評估、PCB電路板中的焊點可靠性分析、PCB電路板疲勞壽命分析內(nèi)容，不容錯過。
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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(jié)構(gòu)鋼，其余構(gòu)件簡化為鋁合金。金屬支架左側(cè)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(shù)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(yīng)分析聯(lián)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(xù)提交計算時，軟件會提示沒有材料數(shù)據(jù)，無法進行求解計算。
展開 隨機振動疲勞分析
隨機載荷下各種結(jié)構(gòu)的疲憊壽命評估，一直是工程上所關(guān)心的題目。近年來，隨著數(shù)字化仿真技術(shù)不斷發(fā)展，各種新的計算方法也不斷在產(chǎn)品中得到應(yīng)用。借助隨機振動疲憊分析技術(shù)，設(shè)計職員可以在產(chǎn)品設(shè)計過程中猜測產(chǎn)品壽命，根據(jù)疲憊壽命分布圖直觀地判定出設(shè)備疲憊壽命大小及薄弱位置，快速判定設(shè)計方案疲憊性能優(yōu)劣。同時還可避免反復(fù)多次試驗，降低資源消耗，縮短開發(fā)周期，進步產(chǎn)品市場競爭力。
1.隨機振動及其疲憊分析流程
對于一個振動系統(tǒng)，它的輸人又稱振源或激勵，系統(tǒng)所產(chǎn)生的振動也稱為對這個輸人的響應(yīng)。當響應(yīng)是隨機的，這種振動稱為隨機振動。隨機振動是不能用時間的確定性函數(shù)來描述的一種振動現(xiàn)象，但是從總體上看，這種振動現(xiàn)象存在著一定統(tǒng)計規(guī)律性，可用該現(xiàn)象的統(tǒng)計特性進行描述，也就是在頻率范圍內(nèi)描述。在通常情況下，描述隨機振動載荷或響應(yīng)的方式是功率譜密度函數(shù)。
隨機振動疲憊分析一般分兩步進行。首先對有限元模型進行頻率響應(yīng)分析計算模型傳遞函數(shù)，得到在單位載荷激勵下模型在各階頻率上的應(yīng)力分布情況;然后再根據(jù)功率譜密度函數(shù)、材料S-N曲線等計算模型的疲憊壽命大小及分布。
2.材料S- N曲線估計
在隨機振動疲憊分析過程中需要輸人材料的應(yīng)力一壽命曲線即S-N曲線。該曲線是在控制應(yīng)力的條件下得到的破壞壽命與應(yīng)力幅值之間關(guān)系的折線段，其對于估算零件的疲憊壽命是至關(guān)重要的。在MSC.Fatigue軟件中，可以根據(jù)材料的極限拉伸強度估計材料的S- N曲線。估計S- N曲線時，應(yīng)力軸的截距范圍到材料的斷裂應(yīng)力值，應(yīng)力值限制在1000次循環(huán)，疲憊極限則根據(jù)不同系數(shù)確定。
3. Miner累積損傷理論
隨機振動疲憊分析采用的是Miner累積損傷理論。Miner做了如下假設(shè)}6-7):試樣所吸收的能量達到極限值時產(chǎn)生疲憊破壞。
展開 abaqus電池包隨機振動疲勞分析（附模型及分析流程） ￥88
本例展示基于功率譜密度曲線（PSD）的電池組疲勞分析，即針對隨機振動的疲勞壽命 分析。
1 問題設(shè)定 一塊電池組，尺寸為 70mm x 175mm x 400mm。該電池組的兩端共有 6 個端點，分別受 到垂直于電池組平面的激勵作用，且激勵的加速度功率譜密度曲線（ASD）相同。 由于在隨機振動基于線性動力學(xué)原理，因此電池，PC 材料等采用實體建模，其他鈑金 采用殼單元建模， 設(shè)定相關(guān)的 fastener 點焊單元，coupling 耦合單元和 tie 約束，建立零件 和零件之間相應(yīng)的連接關(guān)系。
兩端所對應(yīng)的 PSD 譜線如下圖。請注意該曲線的頻率截斷在 200Hz 處。
2 分析過程 一般來說，針對隨機振動的疲勞分析包含兩大步。第一步是在 Abaqus 中完成固有模態(tài) 和掃頻兩個計算；第二步是把這兩個計算結(jié)果與 PSD 曲線一起輸入 fe-safe，運行若干設(shè)置 后完成疲勞分析，得到相關(guān)結(jié)果。
以下內(nèi)容包含完整的詳細的電池包跌落仿真分析 附件為完整教程和CAE模型文件.rar
展開 連桿隨機加載疲勞分析
連桿隨機加載疲勞分析
Abaqus 考慮材料隨機性的復(fù)合材料漸進損傷分析
Abaqus 考慮材料隨機性的復(fù)合材料漸進損傷分析
由于制造工藝、外部環(huán)境等的影響，材料的隨機分布是個普遍存在的現(xiàn)象。目前針對復(fù)合材料的分析中，絕大部分并未考慮材料隨機性對仿真結(jié)果的影響。鑒于此，本文通過Umat子程序?qū)⒉牧?em>隨機性引入復(fù)合材料的漸進損傷分析中，對比了不同的隨機分布對仿真結(jié)果的影響。
本文的仿真對象為一種短切纖維復(fù)合材料(芳綸紙)，主要從宏觀的角度研究了短纖維取向隨機性對計算結(jié)果的影響。
材料的隨機性一般可以認為服從正態(tài)分布或者weibull分布。正態(tài)分布可以通過Box-Muller算法實現(xiàn)。Box-Muller算法是通過服從均勻分布的隨機變量，來構(gòu)建服從正態(tài)分布隨機變量的一種方法。具體實現(xiàn)方法為：選取兩個服從
[0,1]
上均勻分布的隨機變
量
U
1
、
U
2
，
X
、
Y
滿足
則
X
與
Y
服從均值為0，方差為
1
的正態(tài)分布。
通過上述算法，可以在Fortran中生成纖維取向在[0,90]之間服從正態(tài)分布的隨機數(shù)，以下為部分代碼
Fortran中生成服從Weibull分布隨機數(shù)的方法可以參照文獻[1]。http://www.yqgqt.org.cn/content/post/1205134中同樣采用了文獻[1]中的方法生成了服從Weibull分布的隨機數(shù)。
復(fù)合材料的損傷萌生準則和損傷演化準則可以參考http://www.yqgqt.org.cn/content/post/1206124。與之不同的是由于芳綸紙厚度很小，本文中只考慮了材料的面內(nèi)損傷行為。
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NCODE頻域疲勞壽命預(yù)測前.pdf
基于ANSYS線槽隨機振動疲勞分析
3.1 隨機振動分析結(jié)果
每次隨機振動循環(huán)都對累積損傷均具有貢獻，當總的累積損傷達到100%時就表示發(fā)生了失效，隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的不斷增加，累積損傷也不斷增多，直至發(fā)生失效。對于恒定應(yīng)力幅，疲勞失效允許的循環(huán)次數(shù)是按材料的疲勞(S-N)曲線進行確定。一般工程材料的S-N曲線是對數(shù)S-N曲線，在坐標圖上近似為一條直線，近似的數(shù)學(xué)公式為：
式中N為應(yīng)力幅對應(yīng)的最大循環(huán)次數(shù)；S為應(yīng)力幅；b為對于大多數(shù)材料為5~20的常數(shù)；C為取決于材料的常數(shù)。
如果應(yīng)力幅的循環(huán)次數(shù)消耗了材料疲勞壽命的n/N部分，沒有達到對應(yīng)的許可次數(shù)Ni，那么產(chǎn)生的累積損傷為：
當D=1時，表示疲勞壽命已經(jīng)耗盡，預(yù)測發(fā)生了疲勞破壞。
基于高斯分布的三區(qū)間法，它表示：
68.3%的時間應(yīng)力值在-1σ~+1σ之間；
95.4%的時間應(yīng)力值在-2σ~+2σ之間；
99.73%的時間應(yīng)力值在-3σ~+3σ之間。
展開 隨機振動疲勞分析實例-ncode ￥15
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(yīng)計算
計算頭文件設(shè)置
2.2 ncode隨機振動疲勞分析
有限元結(jié)果
載荷
材料
疲勞計算模塊設(shè)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(jié)構(gòu)的強迫振動，路試和用戶反饋出的汽車構(gòu)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(gòu)件在前期開發(fā)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(chǎn)品開發(fā)提供技術(shù)指導(dǎo)和設(shè)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(jīng)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(fā)現(xiàn)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(jié)果。
注2：21小時測試時間與10年或24萬公里使用時間對應(yīng)。
案例
第一步：頻率響應(yīng)計算(nastran或optistruct)，分別計算支架在三個方向單位動態(tài)激勵下的應(yīng)力
結(jié)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(yīng)應(yīng)力結(jié)果計算疲勞。
疲勞分析五框圖
1.有限元分析結(jié)果
拖入FE Input，雙擊可載入模型頻率響應(yīng)有限元結(jié)果。
展開 兩種Ncode多軸隨機振動疲勞分析流程建立
產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在隨機載荷下的疲勞壽命評估，一直是工程上關(guān)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(jù)標準IEC61373-2010設(shè)置隨機振動疲勞功率譜密度，檢驗?zāi)骋辉O(shè)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(shè)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(xí)慣，在Ncode里查看結(jié)果不是很方便，導(dǎo)出到HyperView中查看結(jié)果）。
這里著重介紹
VibrationAnalysis
中如何設(shè)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(dǎo)航欄的LoadProviderDutyCycle增加列表通道，這是為外部導(dǎo)入的列表拓展接口，其余兩個相同操作。
展開 