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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換得到了振動功率譜密度，應(yīng)用于動態(tài)頻率響應(yīng)特性分析及隨機振動疲勞分析，還原了故障現(xiàn)象并揭示了結(jié)構(gòu)的失效機理。改進方案振動疲勞壽命提升效果的CAE分析結(jié)果與臺架試驗結(jié)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(guān)鍵詞】頻率響應(yīng)特性；振動疲勞；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

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[1]。而損傷的累積效應(yīng)是產(chǎn)生疲勞破壞的主要原因，因此結(jié)構(gòu)的力學性能至關(guān)重要，特別是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。傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)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(jié)合耐久試驗中出現(xiàn)的尿素箱支架振動疲勞故障，通過摸索分析，總結(jié)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(yīng)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(xiàn)尿素箱支架開裂（如圖2）。從故障現(xiàn)象初步判定該支架開裂是由于路面振動激勵導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化及頻響特性分析

對支架提出優(yōu)化并進行強度頻率響應(yīng)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(yīng)分析應(yīng)力云圖如圖5顯示：原方案最大Mises 應(yīng)力389.2MPa。優(yōu)化方案最大Mises應(yīng)力236.1MPa，結(jié)構(gòu)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(huán)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(jié)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(zhuǎn)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(jié)果

分析結(jié)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(yōu)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(jié)構(gòu)臺架試驗進行了18h出現(xiàn)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(jié)果較為接近。經(jīng)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(fā)生任何故障現(xiàn)象。說明了疲勞分析準確地預(yù)估了頻響分析優(yōu)化的尿素箱支架的疲勞壽命，從而證實了頻率響應(yīng)分析與振動疲勞分析相結(jié)合分析方法的可行性、可靠性。

6 結(jié)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(xiàn)象，提出了模態(tài)頻率響應(yīng)與振動疲勞壽命預(yù)估相結(jié)合的分析思路和方法，揭示了故障的失效機理并提出結(jié)構(gòu)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(jié)果與電子振動臺架試驗的結(jié)果基本吻合，保證了Re_DV整車耐久試驗的順利完成。結(jié)果表明，本文所采用的分析方法來評定振動激勵環(huán)境下結(jié)構(gòu)的耐久可靠性是合理的，并對縮短產(chǎn)品設(shè)計周期、節(jié)約開發(fā)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(shù)，2009（05）.

[2]馬愛軍，周傳月，王旭等.Patran和Nastran有限元分析專業(yè)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(yīng)用中的探討[J].汽車技術(shù)，2007（07）.

[4]雷明準，張豐利，王建楠，陳劍.基于有限元的車門模態(tài)分析與優(yōu)化研究[J].汽車技術(shù)，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(jié)構(gòu)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