頻域疲勞分析的案例
頻域振動疲勞計算的最新技術（一）
MSC Nastran Embedded Vibration Fatigue (NEVF)介紹
概述
疲勞損傷計算方法主要有準靜態方法、時域振動方法和頻域振動方法。
本文首先對這三種方法進行了描述和比較，闡述了頻域振動疲勞計算的優異性。并在介紹了利用功率普密度進行頻域疲勞分析具有足夠精度的研究結果基礎上，介紹MSC
Nastran最新推出的頻域振動疲勞壽命預測(NEVF)的功能及技術突破。在稍后發布的頻域振動疲勞計算的最新技術系列文章（二）和(三)里，
我們還將詳細闡述頻域振動的理論以及頻域的FEM振動計算。
疲勞損傷計算方法
A)準靜態分析法
將載荷的時間歷程進行靜態分析(SOL 101)，得出結構的應力時間歷程分布，然后把多通道的載荷線形疊加后進行疲勞分析。疲勞損傷主要是來自于局部的應力集中。
當激勵載荷的頻率遠小于所分析結構的固有頻率時，結構的動力響應可以忽略，比如，對于一般車輛疲勞試驗路面，波長和車速已知，來自路面的載荷頻率通常小于6Hz，遠小于白車身的固有頻率，準靜態法適用。
B)時域振動分析法
當疲勞路面為激勵共振路面（如鵝卵石和搓板路面）時，路面波長比較短，在車輛達到一定速度時加載頻率顯著提高，有必要考慮其動力響應。動態載荷會引起共振（局部共振，整體共振）。發生振動的結構疲勞損傷，經常是局部振動和應力集中兩種因素的共同作用的結果，這是只考慮應力集中一項因素的準靜態法所難以對應的。
在高于結構固有頻率的載荷下進行疲勞損傷評價，為了考慮結構振動引起的疲勞破壞，需要進行結構在動態載荷下的動態響應分析。但是，對于具有幾十萬個單元的白車身級別的時域疲勞分析(SOL 109， SOL 112)，即使只對線性系統進行幾十秒的瞬態分析也很難完成。
展開 【4月25-26日 上海】“LS-DYNA的NVH, 疲勞和頻域分析培訓”邀請函
培訓主要內容：
介紹：LS-DYNA的NVH，疲勞和頻域分析功能和應用概述；
前后處理：使用LS-PrePost 的NVH界面進行關鍵字設置；使用LS-PrePost的Post功能處理頻域數據庫文件
頻域振動分析
頻率響應函數
簡諧荷載下的穩態振動（含ERP）
隨機振動
響應譜分析（含DDAM）
頻域聲學分析
邊界元法
有限元法
聲場特征值分析
ATV和MATV技術
頻域疲勞分析
隨機振動下的疲勞分析
穩態振動（掃頻）下的疲勞分析
時域疲勞分析
基于應力的時域疲勞分析
基于應變的時域疲勞分析
多軸疲勞
平均應力修正
動態疲勞分析
汽車NVH例子：白車身的頻率響應函數；動態剛度與噪聲傳遞函數；汽車輻射的噪聲；汽車輪胎噪聲；汽車消聲器的傳遞損失分析；汽車制動噪聲分析（Brake Squeal）
NVH新分析功能介紹：使用IGA進行NVH分析；統計能量法；
練習：習題；頻域關鍵字的設定；結果后處理；頻域數據庫文件
三、培訓費
培訓費(含講義資料費、培訓費、證書費，工作餐) 。3000 元/每人
以上費用不含住宿費。
培訓工作由上海仿坤軟件科技有限公司承辦，并為學員出具正式發票。
凡報名參加培訓經考核結業的學員，均頒發上海仿坤軟件科技有限公司簽發的培訓資格證書。
四、報名方式
點擊鏈接立即報名：http://wwwwwwww.mikecrm.com/l2CqNI5
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展開 為什么越來越多的企業開始使用頻域疲勞分析？
根據業內統計，汽車零部件的機械失效大部分為疲勞失效，占比約為80%。因此機械部分的耐久性是汽車及汽車零部件中一個重要組成部分。主流的汽車零部件制造商為了提高研發效率及降低試驗失敗風險，紛紛建立起CAE仿真分析能力。CAE在疲勞分析領域中，可以在概念階段發現設計缺陷，提前發現失效風險。
1. 常用的疲勞分析方法
目前，常見的疲勞分析方法有：準靜態分析法、時域（瞬態）分析法、頻域分析法。
PSD和諧響應分析都屬于頻域分析方法。PSD分析實際上是使用PSD譜作為輸入條件的一種分析方法，在ANSYS中這一分析過程被稱作隨機振動分析。諧響應分析是使用正弦激勵作為輸入條件的一種分析方法，“諧”指的就是正弦信號。諧響應分析可以模擬定頻振動試驗。
準靜態分析法： 當加載足夠緩慢，慣性力可以忽略時，在過程中任意時刻，系統都無限地接近平衡態，因而任何時刻系統的狀態都可以當平衡態處理。在這種前提下，可以用靜態求解所得的靜態應力來模擬實際情況。業內部分分析從業者有這樣的共識：當激勵頻率低于分析對象固有頻率的1/3時，可以用靜力分析結果代替實際應力。遺憾的是，這種情形在汽車上很少見。
時域（瞬態）分析法：受到汽車行駛速度、路面波長、車載振動源激勵的影響，汽車零部件所處的振動環境是十分復雜的，這些振動激勵包含有不同的頻率、振幅和相位。當振動激勵作用在被分析對象上，可能引起整體共振或局部共振。因此需要在動力學模型下考慮這個過程。
韓國某發動機公司水泵的時域分析：
頻域分析法：時域分析計算量非常龐大，用時域分析進行動力學計算是海量的計算工作。有限元方法的頻域響應分析可以極大地簡化問題的復雜性。分析人員可以對結構的有限元模型先做一個頻域響應分析，得到結構的應力與激勵的傳遞函數。
展開 直播預告 | ?？怂箍礐AEfatigue應用實戰：復雜工況下的疲勞仿真突破
精彩直播預告
疲勞壽命分析通過評估材料或結構在循環載荷作用下的抗破壞能力，是保障工程設計安全性、可靠性與經濟性的關鍵技術。當前雖有成熟的疲勞分析軟件，但工程實踐中仍常面臨復雜載荷工況下的疲勞分析，大模型的疲勞計算效率，零部件疲勞載荷的確定以及簡化等效等一系列挑戰。
海克斯康工業軟件旗下的CAEfatigue軟件以其獨特功能成為應對這些挑戰的有力工具：它不僅提供強大的疲勞分析能力，操作簡便，能高效處理復雜載荷工況；其先進算法也顯著提升了疲勞計算效率。同時，軟件憑借強大的載荷處理功能，更能為疲勞測試提供所需的等效簡化的載荷。
本期直播講堂請到了?？怂箍倒I軟件高級技術經理李偉，在直播間中講師將對CAEfatigue軟件疲勞分析的功能進行詳細講解，并結合多個工程應用案例介紹不同工況下的疲勞分析方法和分析過程。敬請關注！
6月20日 14:00
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直播內容聚焦
? CAEfatigue的疲勞分析流程
? 時域和頻域疲勞分析方法和功能
? 模態頻域法疲勞分析
? 載荷調節功能
? 代理載荷功能
? 測試載荷等效功能
? 疲勞穩健性分析等
李偉
?？怂箍倒I軟件高級技術經理
西安交通大學機械制造專業博士
主要從事結構強度、疲勞耐久性、振動噪聲等領域的仿真和應用，具有20余年的CAE應用經驗。熟悉結構強度理論、振動理論，疲勞理論。擅長結構的線性、非線性分析，動力學分析，疲勞分析以及結構CAE建模技術。
展開 
LS-DYNA?NVH 及頻域分析培訓課程案例
摘自:上海仿坤（LS-DYNA China）官網
http://lsdyna-china.com/display/247772.html
摘要
LS-DYNA?NVH及頻域分析主要為用戶提供頻域內振動、聲學和疲勞分析計算功能。它們包括頻率響應函數、穩態振動、隨機振動與隨機疲勞、反應譜分析，邊界元和有限元聲學等內容。這些計算功能主要為汽車、航空、電子電器行業的用戶提供振動、噪聲和結構耐久性分析工具。為更好的向用戶介紹LS-DYNA的這些頻域分析功能，LSTC及代理商安排了一系列的培訓課程。以下是培訓課程中的幾個案例。
引言
1. 汽車白車身模型的頻率響應分析
車架是整車承載的主體。汽車行駛時，由路面不平及發動機、傳動系統等部件引發車架振動。分析和理解不同頻率下各種振動的傳遞路徑對于汽車減震具有重要意義。
圖1是一個簡化的汽車白車身模型。此模型共有約18萬節點，16.5萬單元。A點為發動機懸置安裝點，B點為車身上任選的一點。由于發動機燃燒，發動機和轉動系統部件的不平衡和地面激勵，A點將受到周期性的振動激勵。此激勵將通過車身結構傳遞到各處。通過頻率響應分析，我們期望得到從A點到B點的荷載或能量傳遞關系。
在LS-DYNA中，我們采用基于模態分析的頻率響應分析方法[1]。此方法可提供不同輸入、輸出類型的頻率響應函數隨頻率變化的曲線。除模態分析的關鍵字外，使用的關鍵字還包括*FREQUENCY_DOMAIN_FRF。計算結果保存在文本文件FRF_AMPLITUDE和FRF_ANGLE中。對于圖1所示的模型，計算得到的加速度頻率響應曲線如圖2所示。
2. 汽車車腔的聲學分析
汽車車腔構成一個封閉的空腔，形成了一個聲學系統。
展開 頻域振動疲勞計算的最新技術（二）
1，標準頻譜載荷的例子（MIL-HBK-810G）
如圖2所示，論文對某裝在冷卻模塊頂部的散熱器托架的疲勞壽命進行了考察。計算模型的第一階固有頻率被調試到實驗測試值11.7Hz，并在假設3%阻尼的前提下提取了80Hz以下的固有頻率（表1）。
2，冷卻模塊頂部的散熱器托架布局
表1，散熱器托架的固有頻率
論文的研究分為兩個部分。首先通過對結構進行了頻域掃描（圖3）計算托架的損傷，并與傳統的時域計算損傷方法的結果作了比較。然后再疊加振動臺的隨機載荷（圖4）后，對結構的損傷進行了考察。
圖3，正弦掃描0 – 20Hz數據
圖4，正弦掃描 + 振動臺隨機載荷
采用MSC
Nastran的SOL112進行正弦掃描計算的時域分析，疲勞計算利用了Nastran Embedded Fatigue（NEF）并考慮了應變 –
壽命的材料特性（Neuber
修正）。頻域振動方法（NEVF）的優點是快捷而且節省硬件資源。尤其是因為嵌入式方法在頻率基礎上利用應力數據，無需輸出應力數據存于硬盤的臨時文件，詳見《頻域振動疲勞計算的最新技術（一）》。
圖5顯示了時域分析和頻域分析在危險位置的應力響應。時域分析和頻域分析得到的最危險位置的損傷比較關系在表2顯示。頻域分析的損傷計算結果偏于保守和安全，是時域分析結果的2倍到4倍。
5，時域和頻域的應力響應
表2，時域和頻域分析在危險位置的損傷比較
研究證明，如果在頻域分析時提高掃面頻率的間隔數 （從50到4000）能夠縮小與時域分析結果的差距（表3）。另外，時域分析和頻域分析的損傷的差距，一部分是由于在頻域分析中振動是假設為穩態而引起的。這會導致那些最高應力的循環次數被高估。
展開 設計仿真 | CAEfatigue中多通道振動疲勞分析復雜載荷的處理
背景
與傳統的高周、低周疲勞不同，振動疲勞因更貼合真實的物理世界近些年來在疲勞領域應用廣泛。而在振動疲勞分析中，環境時域載荷激勵往往是非常復雜的，為了提升計算速度，一般先將基于時間的載荷數據轉換為頻域PSD譜。比如，車輛在進行振動疲勞測試時，一般提取四個車輪中心處的載荷，如圖1所示，然后通過多體動力學軟件ADAMS構建整個車身模型獲取車身關鍵點的載荷，或者更復雜一點通過ADAMS軟件搭建測試路面、整車模型提取目標點的載荷，如圖2所示。在這兩種汽車行駛模擬中，白車身上的級聯負載都是在時域內的，通常以多通道時間信號的形式出現，而多通道信號之間的相關性對后續隨機響應和振動疲勞結果起著至關重要的作用。
圖1：車輛振動疲勞測試
圖2：ADAMS模擬路試載荷
在將采集到的時間數據轉換成頻域PSD這個過程中，一般采用傅立葉級數變換。然而，在執行此轉換過程時，往往都會面臨以下三個問題。
a)首先，頻域疲勞計算方法本身需要遵循一些假設，被處理的數據必須是穩態的、滿足高斯分布、隨機的，用戶很難量化這些假設。
b)其次，傅立葉變換必須設置幾個變量，如FFT（快速傅里葉變換）窗口形狀、FFT窗口長度等，設置這些變量需要一些先前的經驗，此外通常還需要為每個事件逐個設置變量，這顯然超出了一般用戶的分析能力。
c)第三，如何考慮多通道激勵中不同時域信號之間的相關性以及通道信號到模型的映射，這代表了一個重要的數據管理和重復使用性問題。
最近的技術突破已經解決了大部分問題，使得時域載荷的轉換過程對用戶而言變得相對簡單。解決方案的第一部分涉及在傅里葉變換之前的“負載調節”的復雜過程。第二部分涉及到FFT窗口長度的自動選擇。
展開 CAEfatigue中多通道振動疲勞分析復雜載荷的處理
背景
與傳統的高周、低周疲勞不同，振動疲勞因更貼合真實的物理世界近些年來在疲勞領域應用廣泛。而在振動疲勞分析中，環境時域載荷激勵往往是非常復雜的，為了提升計算速度，一般先將基于時間的載荷數據轉換為頻域PSD譜。比如，車輛在進行振動疲勞測試時，一般提取四個車輪中心處的載荷，如圖1所示，然后通過多體動力學軟件ADAMS構建整個車身模型獲取車身關鍵點的載荷，或者更復雜一點通過ADAMS軟件搭建測試路面、整車模型提取目標點的載荷，如圖2所示。在這兩種汽車行駛模擬中，白車身上的級聯負載都是在時域內的，通常以多通道時間信號的形式出現，而多通道信號之間的相關性對后續隨機響應和振動疲勞結果起著至關重要的作用。
圖1：車輛振動疲勞測試
圖2：ADAMS模擬路試載荷
在將采集到的時間數據轉換成頻域PSD這個過程中，一般采用傅立葉級數變換。然而，在執行此轉換過程時，往往都會面臨以下三個問題。
a)首先，頻域疲勞計算方法本身需要遵循一些假設，被處理的數據必須是穩態的、滿足高斯分布、隨機的，用戶很難量化這些假設。
b)其次，傅立葉變換必須設置幾個變量，如FFT（快速傅里葉變換）窗口形狀、FFT窗口長度等，設置這些變量需要一些先前的經驗，此外通常還需要為每個事件逐個設置變量，這顯然超出了一般用戶的分析能力。
c)第三，如何考慮多通道激勵中不同時域信號之間的相關性以及通道信號到模型的映射，這代表了一個重要的數據管理和重復使用性問題。
最近的技術突破已經解決了大部分問題，使得時域載荷的轉換過程對用戶而言變得相對簡單。解決方案的第一部分涉及在傅里葉變換之前的“負載調節”的復雜過程。第二部分涉及到FFT窗口長度的自動選擇。
展開 設計仿真 | CAEfatigue中多通道振動疲勞分析復雜載荷的處理
背景
與傳統的高周、低周疲勞不同，振動疲勞因更貼合真實的物理世界近些年來在疲勞領域應用廣泛。而在振動疲勞分析中，環境時域載荷激勵往往是非常復雜的，為了提升計算速度，一般先將基于時間的載荷數據轉換為頻域PSD譜。比如，車輛在進行振動疲勞測試時，一般提取四個車輪中心處的載荷，如圖1所示，然后通過多體動力學軟件ADAMS構建整個車身模型獲取車身關鍵點的載荷，或者更復雜一點通過ADAMS軟件搭建測試路面、整車模型提取目標點的載荷，如圖2所示。在這兩種汽車行駛模擬中，白車身上的級聯負載都是在時域內的，通常以多通道時間信號的形式出現，而多通道信號之間的相關性對后續隨機響應和振動疲勞結果起著至關重要的作用。
圖1：車輛振動疲勞測試
圖2：ADAMS模擬路試載荷
在將采集到的時間數據轉換成頻域PSD這個過程中，一般采用傅立葉級數變換。然而，在執行此轉換過程時，往往都會面臨以下三個問題。
a)首先，頻域疲勞計算方法本身需要遵循一些假設，被處理的數據必須是穩態的、滿足高斯分布、隨機的，用戶很難量化這些假設。
展開 Ansys合作伙伴 | 4月熱門活動已上線
合作伙伴：安世亞太科技股份有限公司
時間：4月7日，19:30-20:30
地點：線上公開課，遠程視頻授課
費用：免費
立即報名
4月10日 | LS-DYNA 軟件 NVH，頻域及疲勞分析遠程培訓
簡介：Ansys LS-DYNA軟件中NVH、頻域分析功能為用戶提供頻域內振動、聲學和疲勞分析計算功能。主要包含頻率響應函數、穩態振動、隨機振動、響應譜分析；邊界元和有限元聲模態分析；頻域疲勞分析和時域疲勞分析等內容。
適合需要進行車輛NVH或者其他振動、噪聲仿真計算（如飛行器振動噪聲、發動機輻射噪聲、機器的振動測試和模擬）的人員參加，同時對于從事結構疲勞/耐久性/安全性分析的工程師和研究人員有用。
展開 電動車動力電池包的隨機振動疲勞仿真分析案例
表1 z軸PSD值
Frequency[Hz]
PSD[g^2/Hz]
PSD[(m/s^2)^2/Hz]
5
0.05
4.81
10
0.06
5.77
20
0.06
5.77
200
0.0008
0.08
RSM
1.44g
14.13m/s^2
在隨機振動疲勞分析中，FRF與PSD必須是相同的單位表示。例如，如果PSD以g^2/Hz為單位，則FRF應表示在頻率范圍內對1g負載的頻率響應。
輸入完功率譜密度文件后還需對PSD隨機振動分析進行設置，如圖4所示。電池包的隨機振動的壽命估計采用Dirlik方法，該方法是通過運用蒙特卡羅（Monte Carlo）技術做大量的計算機模擬，得出頻域信號疲勞分析法的經驗閉合解。Dirlik給出的經驗公式已經被證明精度足夠，在工程上經常采用。測試時間為21個小時，即75600秒。
圖4. PSD隨機振動分析設置
5.SN分析模塊中的參數設置
最后需要對SN求解器中的疲勞分析參數進行設置，如圖5所示。需要將通道與輸入的功率譜進行匹配，并選擇需要進行疲勞分析的Section的疲勞材料卡。兩個Section的材料牌號分別是：Steel_UML_UTS900和Al_Alloy_UML_UTS200。Alphatigue軟件內含超過500種材料和連接工藝的疲勞曲線，操作時需在“Mat Map”設置框內為不同的Section選擇對應的疲勞材料卡。
展開 
-時域頻域分析及MATLAB軟件的應用
感謝論壇~
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 Ansys合作伙伴 | 一大波熱門主題即將開啟
4月9日 | 風機類產品Ansys流體仿真技術方案
簡介：Ansys是融合結構、流體、電磁分析于一體的大型通用有限元分析軟件。針對風機、螺旋槳、泵類等的旋轉機械產品而言，流體模塊包括fluent、cfx、turbosystem等,可全面處理葉片葉型設計、流量、壓降、噪聲、效率等問題,并可結合結構模塊處理葉片強度、顫振、扭曲等雙向流固耦合問題。
合作伙伴：廣州陽普智能系統科技有限公司
時間：4月9日，15:00-16:00
地點：網絡直播
費用：免費
立即報名
4月10日 | LS-DYNA 軟件 NVH，頻域及疲勞分析遠程培訓
簡介：Ansys LS-DYNA軟件中NVH、頻域分析功能為用戶提供頻域內振動、聲學和疲勞分析計算功能。主要包含頻率響應函數、穩態振動、隨機振動、響應譜分析；邊界元和有限元聲模態分析；頻域疲勞分析和時域疲勞分析等內容。適合需要進行車輛NVH或者其他振動、噪聲仿真計算（如飛行器振動噪聲、發動機輻射噪聲、機器的振動測試和模擬）的人員參加，同時對于從事結構疲勞/耐久性/安全性分析的工程師和研究人員有用。
展開 全頻域聲學仿真分析軟件Wave6行業應用
卓越的噪聲和振動分析技術
噪聲和振動分析在各個行業中都變得越來越重要。減少噪音和振動的需要可能來自于政府法規、對新的輕質結構的需求、低成本材料的使用、檢測要求、防止疲勞失效以及日益激烈的市場競爭。
Wave6是達索系統提供的具有領先技術的全頻率結構/聲學耦合分析軟件。提供從基于有限元（FEM）、邊界元（BEM）的低頻結構/聲學分析，到基于統計能量法（SEA）的中高頻結構/聲學分析。能夠準確、高效地模擬結構振動、結構傳遞噪聲、空氣傳播噪聲、流體噪聲（如氣動噪聲）等復雜問題。通過在產品開發過程中集成基于Wave6的仿真分析，能夠在研發前期階段保證產品的振動噪聲性能，降低出現振動噪聲問題的風險。
噪聲與振動分析中的應用
探索Wave6在噪聲與振動分析領域在不同行業中的多方面應用。受益于Wave6的突出行業包括航空航天與國防、消費品、船舶及近海工程以及交通運輸。本概述詳細介紹了Wave6在各行業的復雜功能，從減少飛機內部噪聲到優化揚聲器設計，無所不包。此外，我們還深入探討了Wave6如何助力精準分析、保護創新以及確保符合行業標準。
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