隨機振動疲勞仿真的案例
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
2022年5月24日-26日，安世亞太大咖慧推出電子行業疲勞壽命專題線上培訓，專題講座包含：隨機振動載荷下支撐構件疲勞壽命評估、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 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
鋁合金材料選取Fe-safe軟件自帶的AL2024材料，其S-N數據顯示如下：
圖6 fe-safe軟件中AL2024的S-N參數
根據常用S-N曲線函數：??(??)=????^(???) ，得到本算例所用的材料為的S-N曲線圖為
4.2 算例有限元仿真操作
具體的軟件操作見附件的視頻教程和附帶的cae，以及inp原文件，教程中對關鍵步驟和注意事項做了重點說明。
4.3 仿真結果
4.3.1 頻響分析結果
算例的頻響分析結果見圖8，圖中為梁的末端位置的加速度響應結果。
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。
展開 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。
2022年5月24日-26日，安世亞太大咖慧推出電子行業疲勞壽命專題線上培訓，專題講座包含：隨機振動載荷下支撐構件疲勞壽命評估、PCB電路板中的焊點可靠性分析、PCB電路板疲勞壽命分析內容，不容錯過。
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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 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。
展開 
仿真工程師在隨機振動環境中如何計算疲勞？——第2部分
斯坦伯格的方法對于說明隨機過程疲勞分析的基本概念很有用，但它有幾個缺點，影響了其準確性。一個是應力水平被歸為1、2、3倍標準差的三個類別，而實際上它們是在幅值上分布的。另一個是假設每個正零交叉意味著一個振動循環，這對于窄帶響應是可以的，但對于寬帶響應則過于保守。
還有許多其他頻域方法可用，它們與寬帶隨機響應的雨流計數結果有更好的相關性。其中一些包括Wirsching-Ligh方法、Gao-Moan 方法、Dirlik方法、Zhao-Baker方法等。從研究的參考文獻得出的結論是，Dirlik 方法、Tovo-Benasciutti方法和Zhao-Baker 方法應被視為頻域疲勞分析的首選方法。
目前關于Dirlik方法已經主流的疲勞計算軟件中嵌入并推選，比如nCode等。大家對頻域下的疲勞壽命計算問題和指導可以聯系。
展開 利用ANSYS隨機振動分析功能實現隨機疲勞分析
利用ANSYS隨機振動分析功能實現隨機疲勞分析
[日期： 2005-5-19 13:05:51]
來源： 作者：
[字體：大 中 小]
ANSYS隨機振動分析功能可以獲得結構隨機振動響應過程的各種統計參數（如：均值、均方根和平均頻率等），根據各種隨機疲勞壽命預測理論就可以成功地預測結構的隨機疲勞壽命。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間法進行ANSYS隨機疲勞計算的具體過程。
１．隨機疲勞現象普遍存在
在工程應用中，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，當它們承受的應力水平較高，工作達到一定時間后，經常會突然發生隨機疲勞破壞，往往造成災難性的后果。因此，預測結構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阻尼比；
3. 能夠定義基礎和節點PSD激勵；
4. 能夠考慮多個PSD激勵之間的相關程度：共譜值、二次譜值、空間關系和波傳播關系等；
5.
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。
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利用ANSYS隨機振動分析功能實現隨機疲勞分析
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隨機振動疲勞分析_免費.pdf
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 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， 設定相關的 fastener 點焊單元，coupling 耦合單元和 tie 約束，建立零件 和零件之間相應的連接關系。
兩端所對應的 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 和掃頻兩個計算；第二步是把這兩個計算結果與 PSD 曲線一起輸入 fe-safe，運行若干設置 后完成疲勞分析，得到相關結果。
以下內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 
【隨機振動】車載氣瓶Abaqus時域隨機振動仿真（考慮內壓與螺栓預緊） ￥89.9
圖1-車載氣瓶
隨機振動在Abaqus中有3中常用的分析方法：
圖2-Abaqus中隨機振動的常用方法與適用性
車載氣瓶裝配結構要考慮接觸非線性，采用基于顯式動力學分析的時域方法。氣瓶是采用傳統材料的金屬氣瓶，首先通過Standard靜力學分析計算氣瓶裝配結構在重力、U型螺桿預緊力、氣瓶內壓下的應力狀態和變形情況。
圖3-氣瓶裝配結構靜力學分析
圖4-靜力學應力
圖5-靜力學變形
復制靜力學模型，更改分析步為Explicit，通過預定義場的初始狀態導入將Standard模型計算出來的靜力學應力變形狀態導入Explicit分析模型，用于時域隨機振動分析。
圖6-初始狀態導入
Y向施加隨機振動加速度信號。
圖7-隨機振動時域加速度信號
圖8-氣瓶隨機振動最大應力674.2MPa
付費文件說明：隨機振動需要先得到裝配狀態的氣瓶應力應變、變形，因此需要先求解靜力學模型（AIRT-STD.inp），再求解隨機振動模型（AIRT-XPL_Y.inp），可以直接運行批處理文件自動執行依次求解。
用文本編輯器可以打開就可以查看關鍵字設置與模型定義了。該模型涉及standard到explicit的初始狀態導入，AbaqusGUI界面目前不支持讀入涉及狀態導入的關鍵字。如果想在界面下直觀地看動力學的模型設置，也可以將STD inp文件中end assembly前的內容合并到XPL inp文件中去!!!
展開 隨機振動疲勞分析
隨機載荷下各種結構的疲憊壽命評估，一直是工程上所關心的題目。近年來，隨著數字化仿真技術不斷發展，各種新的計算方法也不斷在產品中得到應用。借助隨機振動疲憊分析技術，設計職員可以在產品設計過程中猜測產品壽命，根據疲憊壽命分布圖直觀地判定出設備疲憊壽命大小及薄弱位置，快速判定設計方案疲憊性能優劣。同時還可避免反復多次試驗，降低資源消耗，縮短開發周期，進步產品市場競爭力。
1.隨機振動及其疲憊分析流程
對于一個振動系統，它的輸人又稱振源或激勵，系統所產生的振動也稱為對這個輸人的響應。當響應是隨機的，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來描述的一種振動現象，但是從總體上看，這種振動現象存在著一定統計規律性，可用該現象的統計特性進行描述，也就是在頻率范圍內描述。在通常情況下，描述隨機振動載荷或響應的方式是功率譜密度函數。
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分析計算模型傳遞函數，得到在單位載荷激勵下模型在各階頻率上的應力分布情況;然后再根據功率譜密度函數、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力一壽命曲線即S-N曲線。該曲線是在控制應力的條件下得到的破壞壽命與應力幅值之間關系的折線段，其對于估算零件的疲憊壽命是至關重要的。在MSC.Fatigue軟件中，可以根據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，應力軸的截距范圍到材料的斷裂應力值，應力值限制在1000次循環，疲憊極限則根據不同系數確定。
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}6-7):試樣所吸收的能量達到極限值時產生疲憊破壞。
展開 帶缺口鋁板隨機振動疲勞分析
01 綜述
鋁板形狀如圖1(a)，厚度為1.27mm，螺栓孔處固定，在板厚度方向垂直振動，試驗設備如圖1(b)。圖2為振動臺的輸入PSD曲線，記錄試樣疲勞斷裂時間。Fe-safe是專業的疲勞分析工具，可以進行隨機振動疲勞壽命預估，流程如圖3，在Abaqus中先進行模態分析和掃頻分析，得到各階模態參與因子；結合輸入PSD曲線，計算產品的疲勞壽命。
（a）試樣尺寸
（b）試驗設備
圖1 試樣與試驗裝置
圖2 PSD輸入曲線
圖3 Fe-safe疲勞分析流程
02 模態計算與掃頻分析
建立有限元模型，螺栓連接位置用rigid耦合到參考點上，固定參考點。鋁板缺口位置網格局部加密，單元類型為S4 和S3。提取前10階模態，分析結果如表1，圖5為前4階動畫，mode1、mode2、 mode4 分別為一階彎曲、二階彎曲和三階彎曲，mode3 為一階扭轉。
展開 隨機振動疲勞分析——載荷特征
一、前言
疲勞分析通常是在時域進行，所有的輸入載荷和輸出應力都是基于時間的信號。時域疲勞可以通過靜應力分析或者模態瞬態法進行分析，其中模態瞬態法一般用于需要考慮共振對疲勞的影響，載荷的加載頻率接近系統的共振頻率。在一些情況下，共振應力和輸入載荷卻通過頻域信號來分析，通常用PSD功率譜密度來表達，基于的PSD頻域疲勞預測方法比時域疲勞預測方法有以下優勢：
時域所得損傷是取自對一段隨機變化信號的計數，因此通過時域方法獲得的損傷本身就是一個隨機變量，無法避免對所得的損傷結果進行統計推斷。通常，用雨流計數法得到的零部件應力幅值服從威布爾分布，均值服從正態分布。這些需要進行循環計數，數據處理量非常大。而基于PSD的頻域分析方法計算簡單，不需要循環計數。
隨機動態應力，在時域內需要很長的信號記錄才能準確地描述隨機響應，同時處理長的時域信號非常困難，而得到頻域功率譜應力信號則較為方便。
用來進行疲勞分析的頻域信號采樣率，只要達到時域信號采樣率的1/10就可以得到與用時域信號預測同樣精度的結果，頻域信號的讀取、儲存都比時域信號方便。
二、隨機振動信號的特征
當系統所受到的載荷信號是隨機不確定的時候，我們通常采用隨機振動分析的進行疲勞分析。假設所受載荷X(t)在x 和x+dx 范圍內，在一個總時長T 的時間段內，載荷出現的概率為fx(x)。
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