mscnastran振动疲劳析lec22振动疲劳

1、pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-1第第22章章振动疲劳分析振动疲劳分析pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-2pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-3动力载荷疲劳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

2、力分析.疲劳分析选项:静态静态 (或者准静态或者准静态)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随机振动(频域应力频域应力psd)疲劳分析转换psd到期望的应力循环pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-4n时域时域:u静态方法静态方法 (带或者不带惯性释放带或者不带惯性释放)u瞬态方法瞬态方法 (直接法或者模态法直接法或者模态法)n频率域频率域:u频率响应分析频率响应分析(传递函数传递

3、函数)u随机振动分析随机振动分析 分析域的选择分析域的选择pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-5frequency传递函数fn第一阶固有第一阶固有频率频率fl最高加载频最高加载频率率pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-6 确定静态有限元分析载荷和约束确定静态有限元分析载荷和约束,以模拟工作环境以模拟工作环境 测量或者预测载荷时间历程测量或者预测载荷时间历程pk(

4、 t ) 弹性应力历程是通过线性叠加方法进行计算弹性应力历程是通过线性叠加方法进行计算:where k = loadcase id.准静态分析准静态分析 kfea,kk ,e, ijke, ijp) t (p) t (pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-7准静态方法准静态方法 (线性叠加线性叠加)-对于每个单元对于每个单元/节点重复节点重复1a* l1(t) + 2a* l2(t) + . = a(t)单位载荷下的应力局部应力历程载荷历程l2 al1l1=1l2=1pat318

5、, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-8静态分析静态分析优点: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.pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-9瞬态分析瞬态分析 (时域时域)对于组合载荷

6、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l2 al1l1l2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pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-10瞬态分析的类型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)pat318, section 22

7、, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-11mode 1 1.5mode 2 1.0+ mode 3 2.0 +响应 模态振型模态坐标mode 1mode 2mode 3pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-12用模态叠加法计算瞬态分析用模态叠加法计算瞬态分析- repeat for each node/element模态应力局部应力历程模态响应 ar1模态模态 2f1a* r1(t) + f2a* r

8、2(t) + . = a(t)r2模态模态 1pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-13模态叠加模态叠加calculate modal stresses (using nastran sol 103) calculate modal responses using modal transient analysis (nastran sol 112, sdisp(punch) = all)mode 3-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.30.40.5mode

9、3mode 4-0.015-0.01-0.00500.0050.010.015mode 4pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-14 瞬态分析瞬态分析优点优点:考虑系统考虑系统固有固有频率接近外载频率情况下的动力影响频率接近外载频率情况下的动力影响.系统可以系统可以进行进行动态分析而不需要任何人工约束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模态法瞬态计算强度比直接法小. 缺点缺点:瞬态分析计算强度比静态大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

10、步的应力状态需要很大的硬盘空间去储存每一时间步的应力状态.每一载荷事件每一载荷事件需要需要分别计算分别计算.在疲劳分析前在疲劳分析前,不容易定位关键单元不容易定位关键单元.pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-15用模态叠加计算瞬态响应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中组合模态应力和模态响应去计算疲劳.这个方法和用这个方法和用nastran计算

11、在计算上市等同的计算在计算上市等同的,。但有。但有几个优点包括减少硬盘用量。几个优点包括减少硬盘用量。pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-16 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模态叠加瞬态分析的优点pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software

12、corporations22-17 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模态叠加瞬态分析缺点pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-18频域中疲劳分析频域中疲劳分析 pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-19频域为什么使用频域

13、为什么使用频域?psdfrequencypsd stressfrequency传递函数timewind speed时域outputinputtimehub stresspat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-20在频域中计算疲劳的好处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pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corpo

14、rations22-21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)time in secondsresponse variation5101520frequency (hz)power spectrumresponse2hertz时间瞬态或者频域时间瞬态或者频域?频域分析可以考虑动力共振效果pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-22随机振动随机振动 (psd 应力应力)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

15、算得到的.局部应力 psd载荷 psd输入2/hzl1l2疲劳分析g2/hzg2/hz概率密度 (dirlik or narrow band)pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-23应力重新求解到主平面上应力重新求解到主平面上多载荷输入多载荷输入用交叉用交叉psd考虑相关性影响考虑相关性影响应力张量稳定性检查应力张量稳定性检查通过通过psd计算疲劳寿命计算疲劳寿命有有7种求解方法种求解方法,包括包括; dirlik, steinberg and narrow band solu

16、tions振动振动疲劳疲劳pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-24随机振动随机振动 (psd 应力应力)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)pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-25总结总结方法方法硬

17、盘空间硬盘空间cpu 时时间间在分析之在分析之前察觉热前察觉热点点困难困难?静态静态小快可以实际约束,没有动力影响瞬态瞬态 (模态模态)大中慢困难模态选择mbd模态叠加模态叠加中等中等可以模态缩减 振动振动(psd)中等中等困难稳态随机载荷假定pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-26如今计算损伤如今计算损伤?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)pat318, section 22, september 2008copyrigh

18、t 2008 msc.software corporations22-27如何计算损伤如何计算损伤?疲劳建模器blackboxm0m1m2m4传递函数psd瞬态分析雨流计数时间历程时域稳态orstress range histogrampdf疲劳寿命应力范围柱状图频域pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-28frequencyw尖刺面积 =正弦波的幅值 |fft|fft的幅值fft的幅角timea时间历程j单个正弦波的角频率w,幅值a和初始相位jfft的幅角 给出正弦波的相位角j

19、fft可以告诉我们什么可以告诉我们什么?pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-29fft告诉我们什么告诉我们什么?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.pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-

20、30frequencypsdpsd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psd =def|fft|212tpsd是什么是什么?pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-31(stress)2hzfrequency, hzgk(f)fk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来自psd的矩定义的矩定义ffgfdffgfmnnn0p

21、at318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-32(stress)2hzfrequency, hzgk(f)fkffgfdffgfmnnn0emmepmmeepmm m0020422204g这些统计参数时后续的疲劳分析所需要的：零点期望、峰值和不规则因子零点期望、峰值和不规则因子pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-33= 上穿零轴= 峰值timestress (mpa)1

22、second零交叉数,e0 = 3峰值数,ep = 6不规则因子,g =e0ep=36时间历程xxxxxxx零点期望、峰值和不规则因子零点期望、峰值和不规则因子pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-34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)stress range (s)dssds2 and sds2ii-+ p sdsi().sstdsds = 条块(bin)宽度t 循环总数pdfs-概率密度函数概率密度函数pat318,

23、section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-35where; a widely applicable solution developed after extensive monte carlosimulation of a wide range of likely stress response conditionszsm20gmm m204xmmmmm1024dxm12221-+ggrddd-+-112112g2131ddd-12325. 1drddq-g211211dddxrm+-gg 0232

24、2212222mezderzdeqdspzrzqzd+- 4210,mmmmfspddirlik 求解求解2131 ddd-pat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-36dirliknarrow bandtunnahancockwirschingchaudhury & doversteinberg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其它求解方法pat318, section 22, september 2008co

25、pyright 2008 msc.software corporations22-37特征总结特征总结从 psd计算疲劳有 7 种求解方法：包括dirlik, steinberg and narrow band solutions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ncode nsoft8e-5015000rms power (volts2. hz)frequency (hz.)display of noise.psdpat318, section 22, september 2008copyright 2008 msc.software corporations22-38处理过程选择处理过程选择用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.