振动疲劳试验与CAE分析(动态播放)

楔子
什么原因引起？ 怎么故障再现？ 如何结构优化？ 如何快速验证？
3
1.1 应力疲劳与振动疲劳对比
类型
疲劳试验
寿命计算
适用范围
应用举例
应力疲劳 通过迭代技术， S-N法 (时域再现) 对非平稳随机过 E-N法
程的精确描述
振动疲劳 对平稳随机过程 Dirlik模型 (频域再现) 的统计学模拟 Lalanne
振动疲劳试验与CAE分析
•
车身研究院试验检测所
•
毛招凤
•
2014.8.28
CONTENTS
01 振动疲劳概述 02 试验场数据采集与分析 03 台架振动加载谱合成 04 台架振动试验与寿命计算 05 动态响应与疲劳仿真分析
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1
振动疲劳概述
2
C-9A驾驶室 在挖掘岩石、 破碎锤冲击等 恶劣工况下出 现开裂
频率（Hz）
3 5 7 18
PSD(g2/Hz)
0.00160 0.00567 0.00954 0.00084
频率（Hz）
30 45 55 100
PSD
0.00213 0.00101 0.00192 0.00192
18
3.3 台架振动加载谱 Y
频率（Hz） 3 5 9
PSD(g2/Hz) 0.00092 0.00556 0.02744
3.利用Rayleigh、Gaussian 分布按一定的权重比例组 合，适用于宽带信号
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1.3 振动疲劳问题研究流程
样机 数据采集
CAD模型 有限元模型
数据处理
PSD激励
频率响应分析
合成加载谱
S-N曲线
随机疲劳分析
台架振动试验
疲劳寿命计算
结构优化建议
8
2
试验场数据采集与分析
9
2.1 振动数据采集
标准谱1.5倍强度
Max
510.97
Min
-841.22
Range
1352.19
Damage 1.17E-2
台架振动
局部损伤计算
综合工况加载谱，X方向
振动数据时长8min，疲劳 寿命计算累计5.4万h，实 际振动10h未出现开裂
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综合工况加载谱
Max Min Range Damage
94.09 -89.87 183.96 2.46E-06
PSD 0.01068 0.01898 0.01305 0.08158 0.07755
4
台架振动试验与寿命计算
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4.1 C-9B驾驶室结构
C-9A
型材骨架
+
C-9B
=
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4.2 台架振动试验
C-9B驾驶室
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标准谱1.5倍强度，X方向
16Hz 5Hz
500Hz
台架振动
7Hz 100Hz
综合工况加载谱，X方向
—— 减振前
—— 减振后
12
3
台架振动加载谱合成
13
3.1 载荷谱组合
时域叠加
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3.2 大挖综合工况
综合工况加载谱合成方案
序号
原始数据
原始时长
1
怠速运行
15s
2
低速行走
35s
3
高速行走
30s
4
挖掘泥土
65s
5
挖掘碎石
50s
6
挖掘矿山
60s
备注：设计寿命以10000h计, 延长倍数=36000000×权重÷原始时长
4.3 局部位置应力分析
7Hz 50Hz
500Hz
再次映证5-100Hz的振动是 造成局部开裂的主要原因，“B 柱上转角”在7-8Hz附近出现应 力峰值，与路面激励8Hz重叠。
8Hz
100Hz
24
4.4 应力疲劳寿命计算流程
25
标准谱1.5倍强度，X方向
4.5 局部位置寿命计算
振动数据时长5min，疲劳 寿命计算累计7.1h，实际 振动2.5h出现开裂
计算速度
5
1.1 应力疲劳与振动疲劳对比
计算流程
6
JS Bendat,1964
1.2 振动疲劳理论发展过程
PSD循环计数
T Dirlik,1985 C Lalanne,1992
1.Rayleigh分布，仅适用于 窄带信号
2.基于Dirlik、Rayleigh、 Gaussian分布，适用于宽 带信号
权重
5% 5% 10% 10% 40% 30%
延长倍数
120000 51430 120000 55380 288000 180000
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3.3 加载谱合成流程
SRS
根据寿命等效原 则将4min15s的振 动外推到10000h
FDS
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3.3 加载谱合成流程
基于累积寿命等效原则
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3.3 台架振动加载谱 X
10
2.2 振动数据分析
怠速Z 高速Z 挖掘Z
11
◆ 465挖机在高速行走与挖 掘工况时，发动机转速在 1900RPM 附 近 ， 依 此 计 算 发动机的各阶频率。
◆驾驶室安装平台Z 方向在 32 Hz、95 Hz、185 Hz、 295 Hz、601 Hz、898 Hz、 1220 Hz分别为发动机的1阶、 3阶、6阶、9阶及主泵的18 阶、27阶、36阶激励频率；
5
动态响应与疲劳仿真分析
27
5.1 疲劳分析流程
E、σ、ρ 、SN、表面处理
结构、尺寸、应力集中系数
1. 动态响应分析 MSC.Nastran
2. 寿命预测 nCode Designlife
1.
2.
28
5.2 动态响应分析
SOL 111
29
5.2 动态响应分析
10Hz
37Hz
46Hz
30
75Hz
5.3 疲劳寿命计算
◆高速行走与挖掘工况下， 8 Hz、13Hz的响应频率应 为来自地面激励；
◆ 465高速行走与挖掘工况 的加速度RMS大致相当，约 为 怠 速 工 况 加 速 度 RMS 的 4～5倍。
2.2 振动数据分析
怠速X 怠速Y 怠速Z
◆减振器对100Hz以 上的振动具有较好的 隔振效果。 ◆由于驾驶室的主要 整体模态在100Hz以 下，且 5Hz以下振动 台驱动困难。 ◆建议驾驶室振动试 验与CAE分析的频率 范围设置为5-100Hz， 既能覆盖绝大部分损 伤又能节省计算资源
频率（Hz） 20 70 100
PSD 0.00304 0.00304 0.00626
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3.3 台架振动加载谱 Z
频率（Hz） 3 5 6 11 15
PSD(g2/Hz) 0.00025 0.00452 0.01281 0.02799 0.03226
频率（Hz） 30 38 44 88 100
Fra Baidu bibliotek
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模型
结构件受力状态明确，激励 铲斗
载荷便于获取，需要用力、 挖机两臂
位移信号加载
轴耦合道路模拟
结构复杂，受力情况复杂， 难于获得准确的受力载荷， 载荷来源于海浪、风力、轮 胎等随机激励，需要大幅度 加速试验或加速计算，可以 用加速度PSD加载
驾驶室 油箱 水箱 散热器支架 座椅 电气安装支架
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1.1 应力疲劳与振动疲劳对比