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如何進行掃頻定頻與隨機振動疲勞分析?

在OptiStruct中,振動疲勞相對於靜態疲勞和瞬態疲勞,主要區別在於 載荷曲線(FATLOAD)跟 疲勞控制參數的差異(FATPARM)卡片的設定方式不同。

本文章將針對掃頻/定頻疲勞以及隨機振動疲勞中的FATLOAD卡片FATPARM卡片設定進行講解說明:

掃頻/定頻疲勞

  • FATLOAD

FATLOAD的卡片基礎上設定SWEEP 關鍵字。

►SR→掃頻速度
►掃頻單位→Hz/倍頻

當SR=0,表示定頻疲勞,此時頻率為FREQ(i)中的第一個頻率。

補充:

在掃頻/定頻疲勞中,一個FATEVNT 中僅支持單一FATLOAD,不支持應力疊加。

  • FATPARM

FATPARM的卡片基礎上設定SWEEP 關鍵字。

  • NF/DF

→指定參與掃頻的頻率個數/增量;若當前取的之頻率點並未對應到應力結果,則使用前後的頻率結果進行插值得到其應力。若定義了NF,則忽略DF。

  • STSUBID

→指定靜力工況參數,用於引入平均應力。

損傷/壽命計算

重點在於確定循環次數以及單次循環的損傷量

  1. 掃頻疲勞的損傷:計算頻率段內各樣本頻率上的損傷(單循環損傷循環次數),進而進行疊加。
     
  2. 定頻疲勞的損傷計為損傷量和總時長的乘積。

損傷量可以由該頻率下的應力結果和材料的SN曲線確定在定頻疲勞中FATSEQ直接指定總時長。

2. 隨機振動疲勞

針對在隨機振動中,FATLOAD與FATPARM卡片建置的使用進行講解。

  • FATLOAD

FATLOAD載荷歷程曲線為隨機振動分析得到的PSD曲線,不需要額外輸入曲線,因此將TID置空。

  • FATPARM

定義RANDOM關鍵字。

►FACSREND

用於計算應力值上限2 RMS Stress*FACSREND( )

►SREND

用於直接指定應力值上限

►NBIN

用於計算應力分佈寬度DS=SREND/NBIN

►DS

用於直接指定應力分佈寬度( )

►STSUBID

用於引入平均應力 

隨機振動頻率壽命預測方法在常見的情況下可以分為時域法和頻域法。

  • 時域法

    主要有1.三角級數法2.逆傅立葉轉換2.參數模型法,首先針對隨機過程進行時域模擬,得到應力響應,接著應用雨流計數法,計算應力循環,最後根據SN曲線和miner疊加進行壽命計算。

大致步驟如下:

功率譜密度(PSD)à隨機振動的時域信號à隨機幅值雨流計數à線性損傷累積。

  • 頻域法

    時域法對信號要求較高.需要具有夠長的信號歷程,計算量也較大,因此在計算隨機振動疲勞上,一般常見為使用頻域法,OptiStruct中使用的也是頻域法,藉由通過應力的功率譜密度函數(PSD)的統計學特性,直接構建應力分佈概率密度函數(PDF)。

    PSD曲線構建PDF曲線的方法有很多種,包括Rice模型、Bendat模型、Wirsching、Lisht修正模型、Dirlik模型、Zhao和Baker模型等。多數模型都有其適用範圍.比如Dirlik模型適用於寬帶隨機過程。

在OptiStruct中,主要提供了4種模型:

  1. DIRLIK

為寬帶隨機振動壽命估計種應用最多和最準確的,通過蒙特卡洛技術做了大量的計算機模擬,得出頻域信號疲勞分析法的經驗閉合解。

  1. LALANNE

適用於寬度隨機過程

  1. NARROW

適用於窄帶隨機過程。

  1. THREE

適用於窄帶隨機過程,同時分佈在下列函數內有規律性

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