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1、基于MSC.Fatigue的電子設(shè)備隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析發(fā)表時(shí)間：2008-10-27作者:郭建平*任康*楊龍*南雁來源:萬方數(shù)據(jù)關(guān)鍵字:隨機(jī)振動(dòng)?疲勞壽命?功率語密度?S-N曲線?針對機(jī)載電子設(shè)備隨機(jī)振動(dòng)問題，研究利用數(shù)字仿真技術(shù)預(yù)測結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命的方法。以某機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)為研究對象，根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)理論和有限單元法，采用MSC.Fatigue軟件進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析，計(jì)算疲勞壽命大小及分布。通過把計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，證明利用隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析方法預(yù)測此類產(chǎn)品的疲勞壽命是可行的。???引言??????隨機(jī)載荷下各種結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評估，一
2、直是工程上所關(guān)心的問題。近年來，隨著數(shù)字化仿真技術(shù)不斷發(fā)展，各種新的計(jì)算方法也不斷在產(chǎn)品中得到應(yīng)用。借助隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中預(yù)測產(chǎn)品壽命，根據(jù)疲勞壽命分布圖直觀地判斷出設(shè)備疲勞壽命大小及薄弱位置，快速判斷設(shè)計(jì)方案疲勞性能優(yōu)劣。同時(shí)還可避免反復(fù)多次試驗(yàn)，降低資源消耗，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品市場競爭力。??????某機(jī)載電子設(shè)備框架在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)裂紋。本文利用隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析方法，應(yīng)用有限單元法和隨機(jī)振動(dòng)理論，在計(jì)算機(jī)工作平臺(tái)中完成該結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命預(yù)測。并根據(jù)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際設(shè)計(jì)情況提出相應(yīng)的改進(jìn)方案，實(shí)踐證明改進(jìn)方
3、案的合理性。??????1隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析理論??????1.1隨機(jī)振動(dòng)及其疲勞分析流程??????對于一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，它的輸人又稱振源或激勵(lì)，系統(tǒng)所產(chǎn)生的振動(dòng)也稱為對這個(gè)輸人的響應(yīng)。當(dāng)響應(yīng)是隨機(jī)的，這種振動(dòng)稱為隨機(jī)振動(dòng)。隨機(jī)振動(dòng)是不能用時(shí)間的確定性函數(shù)來描述的一種振動(dòng)現(xiàn)象，但是從總體上看，這種振動(dòng)現(xiàn)象存在著一定統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，可用該現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)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(jī)振動(dòng)載荷或響應(yīng)的方式是功率譜密度函數(shù)。??????隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析一般分兩步進(jìn)行。首先對有限元模型進(jìn)行頻率響應(yīng)分析計(jì)算模型傳遞函數(shù)，得到在單位載荷激勵(lì)
4、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(jì)算模型的疲勞壽命大小及分布。??????1.2材料S-N曲線估計(jì)??????在隨機(jī)振動(dòng)疲勞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勞壽命是至關(guān)重要的。在MSC.Fatigue軟件中，可以根據(jù)材料的極限拉伸強(qiáng)度估計(jì)材料的S-N曲線。估計(jì)S-N曲線時(shí)，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)，疲勞極限則根據(jù)不同系數(shù)確定。??????1.3??Miner累
5、積損傷理論??????隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析采用的是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(dá)到極限值時(shí)產(chǎn)生疲勞破壞。從這一假設(shè)出發(fā)，如破壞前可吸收的能量極限值為W，試樣破壞前的總循環(huán)為N,在某一循環(huán)數(shù)。1時(shí)試樣吸收的能量為W1，則由于試樣吸收的能量與其循環(huán)數(shù)間存在著正比關(guān)系，因此有??????因此，若試樣的加載歷史由σ1，σ2，…，σl這樣的l個(gè)不同的應(yīng)力水平構(gòu)成，各應(yīng)力水平下的疲勞壽命依次為N1，N2，…，Nl，各應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)依次為n1，n2，…，nl，則損傷??????時(shí)，試樣吸收的能量達(dá)到極限值W，試
6、樣發(fā)生疲勞破。上式即為Miner累積損傷理論的數(shù)學(xué)表達(dá)式。2隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析應(yīng)用實(shí)例??????某機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)框架如圖2所示，電子設(shè)備通過10個(gè)螺釘固定在框架上，框架再通過4個(gè)固定孔與飛機(jī)相連。對框架進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，在試驗(yàn)進(jìn)行約4小時(shí)左右發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)固定孔處出現(xiàn)裂紋?，F(xiàn)通過隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析估計(jì)框架壽命并對其加以改進(jìn)。??????該框架材料采用是45號(hào)結(jié)構(gòu)鋼。其物理及力學(xué)性能如表1所示。??????在MSC.Fatigue軟件中根據(jù)材料的極限拉伸強(qiáng)度估計(jì)材料的S-N曲線，如圖3所示。??????根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，在試驗(yàn)臺(tái)上施加如表2所示的加
7、速度平穩(wěn)隨機(jī)載荷激勵(lì)，分別對框架進(jìn)行X,Y和Z這3個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)，在每個(gè)方向激勵(lì)下，要求框架4.5小時(shí)內(nèi)不得出現(xiàn)疲勞破壞。??????根據(jù)上述工況條件，先通過頻率響應(yīng)計(jì)算傳遞函數(shù)，然后再根據(jù)材料的S-N曲線及施加的隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)計(jì)算框架的疲勞壽命。頻率響應(yīng)計(jì)算結(jié)果如圖4所示，疲勞壽命計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖可見，框架壽命最小處在4個(gè)固定孔處，約為4.3h，這與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，因此計(jì)算結(jié)果是可信的。??????根據(jù)設(shè)計(jì)要求，框架結(jié)構(gòu)安裝孔位置、安裝方式及材料不能改變，因此對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)時(shí)改變4個(gè)安裝孔所在邊的厚度，把其厚度增加2mm，其余保
8、持不變，計(jì)算改進(jìn)后方案的疲勞壽命。改進(jìn)后的框架頻率響應(yīng)計(jì)算結(jié)果和疲勞分析結(jié)果分別如圖6和圖7所示。??????由圖可見，改進(jìn)后的框架的疲勞壽命約為34
