带缺口铝板随机振动疲劳分析

01 综述 

     铝板形状如图1(a)，厚度为1.27mm，螺栓孔处固定，在板厚度方向垂直振动，试验设备如图1(b)。图2为振动台的输入PSD曲线，记录试样疲劳断裂时间。Fe-safe是专业的疲劳分析工具，可以进行随机振动疲劳寿命预估，流程如图3，在Abaqus中先进行模态分析和扫频分析，得到各阶模态参与因子；结合输入PSD曲线，计算产品的疲劳寿命。

（a）试样尺寸

（b）试验设备

图1 试样与试验装置

图2 PSD输入曲线

图3 Fe-safe疲劳分析流程

02 模态计算与扫频分析

      建立有限元模型，螺栓连接位置用rigid耦合到参考点上，固定参考点。铝板缺口位置网格局部加密，单元类型为S4 和S3。提取前10阶模态，分析结果如表1，图5为前4阶动画，mode1、mode2、 mode4 分别为一阶弯曲、二阶弯曲和三阶弯曲，mode3 为一阶扭转。

图4 有限元模型

Modes
Frequency [Hz]	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
10.89	54.57	116.18	158.18	186.99	273.45	282.77	294.49	499.07	490.0

表1 模态分析结果

图5 mode1 ~mode4动画

模态分析后，采用模态叠加法进行扫频分析（Steady-state dynamic），扫频范围为5Hz~300Hz，运用basemotion的形式在Z方向施加1G的加速度，模态阻尼为0.02。输出广义位移GU和相位GPU，图6为垂直方向振动的模态参与因子曲线，一阶扭转mode3的影响较小，一阶、二阶和三阶弯曲模态影响较大。

图6 广义位移

03 Fe-safe 疲劳寿命预估

图7 导入模型

    Step2 选择分析步。不要勾选模态分析中的Mode0 和扫频分析中的Frequency0，如图8所示，勾选RS和IS。

图8 选择分析步

    Step3 设置材料和分析载荷。S-N曲线如图9，采用两点确定。采用Dirlik算法，不考虑残余应力。Fe-safe会自动生成PSD Block，设置分析时间为60s。

图9 S-N曲线

图10 设置分析载荷

04   疲劳寿命预估结果

     

     疲劳寿命分析结果如图11，最小寿命未在在缺口中心，位置与试验破坏位置一致。仿真寿命为3.14min，试验寿命为3.56min[1]。

图11 仿真与试验对比

参考文献

 [1]  Vinod Kumar Nagulpalli, Abhijit Gupta and Shaofeng Fan, Estimation of Fatigue Life of Aluminums Beams subjected to Random Vibration, Department of Mechanical Engineering, Northern Illinois University, DeKalb, IL

作者：周伟

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