基于激勵譜的隨機振動疲勞的分析方法研究

文新海+邱星

【摘 要】本文闡述了結構隨機振動疲勞壽命的基本原理，及基于激勵譜的振動疲勞壽命分析的方法和流程。基于某車型尿素箱支架振動疲勞失效，采集了振動加速度并通過FFT轉換得到了振動功率譜密度，應用于動態頻率響應特性分析及隨機振動疲勞分析，還原了故障現象并揭示了結構的失效機理。改進方案振動疲勞壽命提升效果的CAE分析結果與臺架試驗結果基本吻合，表明本文采用的振動疲勞壽命分析方法具有較高的可靠性。

【關鍵詞】頻率響應特性；振動疲勞；結構優化

0 引言

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[1]。而損傷的累積效應是產生疲勞破壞的主要原因，因此結構的力學性能至關重要，特別是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。傳統的單一靜力學較難全面且準確分析其力學性能，本文對振動激勵下的結構動態應力及振動疲勞壽命的分析思路和方法進行研究，嘗試提供一種更準確的疲勞壽命分析方法。

1 振動疲勞分析理論

1.1 疲勞累積損傷理論

2.2 振動疲勞分析的思路及流程

本文結合耐久試驗中出現的尿素箱支架振動疲勞故障，通過摸索分析，總結了針對隨機振動疲勞壽命的分析思路和流程（如圖1）。

3 振動頻率響應分析

某車型在進行耐久試驗時，多臺車在耐久試驗完成30%左右出現尿素箱支架開裂（如圖2）。從故障現象初步判定該支架開裂是由于路面振動激勵導致結構應力損傷累積而造成振動疲勞失效。

3.1 載荷及約束定義

對頻率響應分析的有限元模型進行處理，將支架在縱梁上的固定位置采取全約束，并在與車架連接的螺栓孔施加振動加速度作為激勵，如圖3所示：

3.2 結構優化及頻響特性分析

對支架提出優化并進行強度頻率響應分析。延長圓管固定板，與縱向支撐板焊接連接，如圖4。

頻率響應分析應力云圖如圖5顯示：原方案最大Mises 應力389.2MPa。優化方案最大Mises應力236.1MPa，結構強度有明顯改善。

4 振動疲勞壽命分析

對支架在長波路、短波路、直搓板路、石塊路等十余種路面循環激勵載荷作用下的耐久性進行振動疲勞壽命分析，在確保90%存活率的條件下，采用Goodman方法來修正分析結果。

4.1 PSD載荷及材料特性

運用nCode對支架原方案及改進方案進行振動疲勞壽命分析，將實測的加速度時域載荷轉換PSD作為輸入載荷。（如圖6）

在nCode材料庫中輸入支架材料Q345的抗拉強度、屈服強度和彈性模量，擬合出材料的S-N曲線，如圖7所示：

4.2 分析結果

分析結果圖（8）顯示：原始方案疲勞分析疲勞壽命約16.2萬次，改進方案疲勞壽命約119.6萬次，疲勞壽命提升約6倍。

5 臺架試驗及耐久試驗

對原方案及優化方案進行電子振動臺臺架試驗，本試驗以路試過程中采集的各路面振動功率譜密度為激勵，驗證支架的振動疲勞壽命（如圖9）。原結構臺架試驗進行了18h出現斷裂，改進方案進行了102h斷裂，斷裂位置與路面耐久試驗完全一致。臺架試驗表明改進方案的疲勞壽命較原方案提升了約4.7倍，與有限元分析結果較為接近。經里程換算，改進方案有信心完成整車道路耐久試驗。

在Re_DV整車耐久45000km，尿素箱支架未發生任何故障現象。說明了疲勞分析準確地預估了頻響分析優化的尿素箱支架的疲勞壽命，從而證實了頻率響應分析與振動疲勞分析相結合分析方法的可行性、可靠性。

6 結束語

本文針對某車型典型振動件尿素箱支架在45000Km耐久試驗中斷裂的現象，提出了模態頻率響應與振動疲勞壽命預估相結合的分析思路和方法，揭示了故障的失效機理并提出結構改進方向。改進方案較原方案振動疲勞壽命提升效果的有限元分析結果與電子振動臺架試驗的結果基本吻合，保證了Re_DV整車耐久試驗的順利完成。結果表明，本文所采用的分析方法來評定振動激勵環境下結構的耐久可靠性是合理的，并對縮短產品設計周期、節約開發成本及解決同類問題具有借鑒意義。

【參考文獻】

[1]朱濤，宋健，李亮.基于實測載荷譜的白車身疲勞壽命計算[J].汽車技術，2009（05）.

[2]馬愛軍，周傳月，王旭等.Patran和Nastran有限元分析專業教程[M].北京.清華大學出版社，2005.

[3]李杰，秦玉英，趙旗，張偉.虛擬激勵法及其在汽車隨機振動應用中的探討[J].汽車技術，2007（07）.

[4]雷明準，張豐利，王建楠，陳劍.基于有限元的車門模態分析與優化研究[J].汽車技術，2008（12）.

[5]Rice.S.O.Mathematical analysis of random noise[J].Bell System Technical Journal，1944，23：282～332.

[6]Bendat J.S.. Probability functions for random responses prediction of peaks[J]. fatigue damage and catastrophic failures， Tech. rep.， NASA；1964.

[7]Wirsching P H， Light M C. Fatigue under wide band random stress[J]. Journal of the structure division，ASCE，1980.

[8]Dirlik， T. Application of computers to fatigue analysis； PhD Thesis， University of Warwick.1985.

[9]顏云飛.隨機載荷下焊接結構疲勞壽命的一種有效計算方法[J].機械工程學報，1993，29（2）：1～7.

[責任編輯：朱麗娜]endprint