多轴随机载荷下支撑构件疲劳寿命评估

随着国际标准在企业的大量采用，随机振动疲劳试验在振动试验中比例越来越高。借助随机振动疲劳仿真分析技术，在产品设计阶段就可预测产品寿命，并根据寿命分布云图直观判断疲劳寿命大小及薄弱位置，快速判断设计方案的优劣，避免反复多次的试验，缩短产品开发周期。本文将以某支撑构件受随机振动载荷作用下疲劳寿命评估为例，介绍多轴随机振动载荷下疲劳分析方法和流程。

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分析流程

利用ANSYS Mechanical计算出各方向激励下应力频响函数，然后将应力频响函数和载荷的PSD曲线导入ANSYS Ncode软件，定义材料的SN疲劳性能曲线，应用其振动疲劳分析求解器计算出结构应力响应的PSD，进而完成应力循环计数并计算损伤值。整个流程可以在ANSYS Workbench平台中完成，其流程图如下：

图片图1多轴随机振动疲劳分析流程图

频响分析

频响分析分析时通常施加某方向的单位加速度激励，得到单位载荷激励下模型各阶频率上的应力分布。在计算应力频响函数时，所分析的频率范围要覆盖PSD曲线的频率范围，一般取载荷PSD最大频率范围的1.5倍。载荷单位一定要与PSD曲线统一。对于多轴激励，则进行多方向的频响分析，得到模型各方向的传递函数。

图2 支架三个方向谐响应分析

图3 应力响应曲线

多轴随机振动载荷谱输入

随机振动载荷常用PSD功率谱密度来表达，针对不同的振动环境可以参考相应的标准查取。载荷谱的输入在ANSYSNCODE来完成，通过ANSYS NCODE 振动载荷生成器产生相应的PSD谱，将PSD谱导入到载荷谱编辑器中同各方向谐响应传递函数相关联。

1、多轴随机载荷顺序发生

通常在多轴随机载荷应用于模拟振动试验台架时，每次施加一个方向的激励，各方向激励载荷需要依次施加。为了模拟这种试验环境，需要利用ANSYS NCODE载荷谱类型Duty Cycle来定义相应的载荷谱。例如本次模拟支架在振动台试验时，在X方向振动900s、在Y方向振动900s、在Z方向振动1800s，在Duty Cycle编谱X\Y\Z三个方向的按照规定的时间依次激励。

图4 Duty Cycle载荷谱生成

将各方向载荷谱与对应方向频响传递函数相关联，通过振动疲劳分析模块中载荷编辑模块一一对应。

图5 多轴随机载荷激励顺序施加

2、多轴随机载荷同时激励

在实际结构中存在同时受X/Y/Z三个方向随机激励，为了仿真模拟这种情况，载荷谱定义时我们需要知道各方向谱值间的相关性。首先根据实测记录的各向时域载荷转换到频域，利用ANSYS NCODE中频响分析工具（Frequency Response Analysis）进行信号转换得到各向PSD谱以及它们之间的互功率谱。

图6多轴信号转换流程

将生成的三个方向PSD谱以及三个之间的互功率谱导入到载荷编辑器中与各方向的频响传递函数通道对应。

图7多轴随机载荷激励同时施加

随机振动疲劳求解

随机振动疲劳采用标准S-N求解器进行求解，需要材料S-N曲线的输入，该曲线对疲劳寿命计算至关重要。材料S-N曲线一般通过疲劳试验获得，也可以参考ANSYS NCODE材料库中的材料。软件根据输入频响传递函数、载荷谱计算出结构应力响应的PSD,直接基于应力响应PSD完成应力循环计数，结合S-N曲线进行损伤计算。基于ANSYS NCODE振动疲劳求解器的分析中，通常还需要考虑综合应力的选择、平均应力修正方法、循环计数方法选择等。

图8振动疲劳求解器选项

疲劳结果后处理

求解计算完成，可以在ANSYS NCODE进行后处理，得到损伤或寿命云图。如下是同一模型在顺序多轴随机载荷和同时多轴随机载荷作用下支架的寿命分布云图。

图9顺序多轴随机载荷作用下支架寿命云图

图10同时多轴随机载荷作用下支架寿命云图

在结果解读中要注意：顺序多轴随机载荷在编谱中指定了循环次数，每次循环默认是1秒，则X方向振动900s、在Y方向振动900s、在Z方向振动1800s，完成一次指定duty cycle所需时间是3600s，计算得到的最小寿命为72.77次， 72.77次乘以3600S，则得到最小寿命时间为2.6e5S。同时多轴随机载荷作用下，计算得到最小寿命是1.31E5次，默认循环一次为1秒，即最小寿命为1.31E5s。