MSC-NASTRAN振动疲劳分析(Lec22-振动疲劳).ppt

第22章振动疲劳分析 动力载荷疲劳 所有的疲劳分析都要求确定应力 应变循环 幸运的是这并不一定要求是瞬态动力分析 疲劳分析选项 静态 或者准静态 疲劳分析通过时间历程来对静态应力或者应变进行比例缩放瞬态 直接法或者模态法 疲劳分析直接使用有限元分析的应力或者应变结果随机振动 频域应力PSD 疲劳分析转换PSD到期望的应力循环 时域 静态方法 带或者不带惯性释放 瞬态方法 直接法或者模态法 频率域 频率响应分析 传递函数 随机振动分析 分析域的选择 动力响应计算是必须的吗 frequency 传递函数 Fn第一阶固有频率 FL最高加载频率 FL 1 3FN 是 如果最高加载频率大于第一阶固有频率的三分之一 确定静态有限元分析载荷和约束 以模拟工作环境测量或者预测载荷时间历程Pk t 弹性应力历程是通过线性叠加方法进行计算 wherek loadcaseID 准静态分析 准静态方法 线性叠加 静态分析 优点 有限元计算代价低 硬盘空间要求少 可以使同样的应力数据用于不同载荷事件的疲劳分析 也就是多事件 自动排除可以用于在疲劳分析前选择实体以加速分析 缺点 静态有限元分析要求的某些约束可能不理想 当系统固有频率接近外载频率时候精度不够 瞬态分析 时域 对于组合载荷的应力是通过有限元一点一点计算的 局部应力历程 载荷时间历程 L1 L2 疲劳分析 对于长的时间历程 问题是求解时间和硬盘空间要求 瞬态分析的类型 直接 积分 瞬态整个系统的运动方程通过每一个时间步积分代价大 CPU时间和硬盘空间 可以计算非线性动力问题模态 叠加 瞬态方法系统的动力学特性和自由度被缩减到一组模态 因此求解速度比直接法快 需要选择一组合适的模态 限于线性问题 一般采用这个 模态叠加的概念 用模态叠加法计算瞬态分析 repeatforeachnode element 模态应力 局部应力历程 模态响应 r1 模态2 f1A r1 t f2A r2 t sA t r2 模态1 模态叠加 瞬态分析 优点 考虑系统固有频率接近外载频率情况下的动力影响 系统可以进行动态分析而不需要任何人工约束 模态法瞬态计算强度比直接法小 缺点 瞬态分析计算强度比静态大 需要很大的硬盘空间去储存每一时间步的应力状态 每一载荷事件需要分别计算 在疲劳分析前 不容易定位关键单元 用模态叠加计算瞬态响应 使用模态法瞬态响应进行疲劳分析的常用方法是 在msc fatigue中组合模态应力和模态响应去计算疲劳 这个方法和用nastran计算在计算上市等同的 但有几个优点包括减少硬盘用量 使得结构动力响应计算不需要存储每一节点 单元的响应 考虑共振影响这个方法类似于准静态方法 模态参与因子关联模态应力结合多体动力求解允许对整个装配体进行有效的瞬态分析 模态叠加瞬态分析的优点 需要明智地选择模态分析中模态数量 在Nastran中推荐用残余向量选项需要将模态响应转换为时间历程形式 当前Nastran支持使用Punch文件中的SDISP 模态叠加瞬态分析缺点 频域中疲劳分析 频域 为什么使用频域 PSD frequency PSDStress frequency 传递函数 time Windspeed 时域 Output Input 在频域中计算疲劳的好处 随机载荷的动力响应分析不需要完全的瞬态分析疲劳分析相当快分析可以在设计早期进行能交互分析各种假定 时域 频域 快速傅立叶变换 FFT 丢掉相位 傅立叶逆变换 IFT 创建随机相位 时间瞬态或者频域 频域分析可以考虑动力共振效果 随机振动 PSD应力 组合PSD载荷下的应力PSD响应是通过对每一感兴趣的频率进行有限元计算得到的 局部应力PSD 载荷PSD输入 s 2 Hz L1 L2 疲劳分析 g 2 Hz g 2 Hz 概率密度 DirlikorNarrowBand 应力重新求解到主平面上多载荷输入用交叉PSD考虑相关性影响应力张量稳定性检查通过PSD计算疲劳寿命有7种求解方法 包括 Dirlik SteinbergandNarrowBandsolutions 振动疲劳 随机振动 PSD应力 优点适合可以用PSD描述的载荷 随机 稳态和高斯载荷 比如风载和海洋载荷 也可以仿真PSD激振测试包括动力和共振影响比用一个很长的时间历程计算瞬态分析更有效缺点有一些假设前提 高斯 随机 各态历经 总结 如今计算损伤 材料 S N分析 几何 FE分析 疲劳分析 振动疲劳 后处理 优化和测试 载荷 PSD 如何计算损伤 疲劳建模器 传递 函数 PSD 瞬态分析 雨流计数 时间历程 时域 稳态or FATIGUELIFE STRESSRANGEHISTOGRAM FATIGUELIFE PDF 疲劳寿命 应力范围柱状图 频域 frequency w 尖刺面积 正弦波的幅值 FFT FFT的幅值 FFT的幅角 FFT的幅角给出正弦波的相位角j FFT FFT可以告诉我们什么 FFT告诉我们什么 FFT是一个关于频率的复数响应 通过一个在频率轴上w位置的尖刺来表达一个正弦波 该正弦波频率w 幅值A和初始相位角j 复FFT的幅值图绘出 尖刺面积就是正弦波的幅值 FFT的幅角图绘出 面积就是正弦波的相位角 frequency PSD PSD 在PSD中 我们仅仅关心每一个正弦波的幅值而不关心波之间的相位关系 每一尖刺下面的面积代表在该频率范围的正弦波的均方值我们不再能确定正弦波之间的相位关系 定义 FFT 2 1 2T PSD是什么 Frequency Hz 实际上 m0 m1 m2和m4包含用于计算疲劳分析所需要的所有信息 来自PSD的矩定义 Frequency Hz 这些统计参数时后续的疲劳分析所需要的 零点期望 峰值和不规则因子 上穿零轴 峰值 time Stress MPa 1second 零交叉数 E 0 3 峰值数 E P 6 不规则因子 g E 0 E P 3 6 时间历程 x x x x x x x 零点期望 峰值和不规则因子 应力范围发生概率 为了从雨流直方图获得pdf 用每一条块 bin 的高度去除 p S P Si StressRange S dS S S t d S dS 条块 bin 宽度 t 循环总数 PDF S 概率密度函数 where AwidelyapplicablesolutiondevelopedafterextensiveMonteCarlosimulationofawiderangeoflikelystressresponseconditions DIRLIK求解 Dirlik NarrowBand Tunna Hancock Wirsching Chaudhury Dover Steinberg 所以工况都适用的最好方法 为海洋结构开发的 铁路 UK 电子部件 USA 原始的求解方法 其它求解方法 特征总结 从PSD计算疲劳有7种求解方法 包括Dirlik SteinbergandNarrowBandsolutions能处理多种的 部分的和全相关载荷平均应力修正Palmgren Miner线性损伤累计材料和部件S N模型表面条件安全系数分析双轴指示 nCodenSoft 8E 5 0 1500 0 RMSPower Volts 2 Hz Frequency Hz DISPLAYOFNOISE PSD 处理过程选择 用Nastran计算应力PSD 然后直接在MSC Fatigue中使用缺点 仅仅基本应力分量可以作为输出 无主应力等 用Nastran计算输入和应力结果之间的复传递函数 MSC Fatigue组合输入PSD和相关谱去计算对应频率的主应力 缺点 更多数据需要MSC Fatigue去处理 实例 振动疲劳 一个支架的振动疲劳分析例子 3个输入载荷 临界区域 小孔周围 使用传递函数方法计算振动疲劳 单载荷 时域分析频域分析 staticFE