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利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析

ANSYS随机振动分析功能可以获得结构随机振动响应过程的各种统计参数（如：均值、均方根和平均频率等），根据各种随机疲劳寿命预测理论就可以成功地预测结构

的随机疲劳寿命。本文介绍了ANSYS随机振动分析功能，以及利用该功能，按照Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计损伤定律的三区间法进行ANSYS

随机疲劳计算的具体过程。

１．随机疲劳现象普遍存在

在工程应用中，汽车、飞行器、船舶以及其它各种机械或零部件，大多是在随机载

荷作用下工作，当它们承受的应力水平较高，工作达到一定时间后，经常会突然发生

随机疲劳破坏，往往造成灾难性的后果。因此，预测结构或零部件的随机疲劳寿命是

非常有必要的。

2．ANSYS随机振动分析功能介绍

ANSYS随机振动分析功能十分强大，主要表现在以下方面：

1.具有位移、速度、加速度、力和压力等PSD类型；

2.能够考虑a阻尼、 阻尼、恒定阻尼比和频率相关阻尼比；

3.能够定义基础和节点PSD激励；

4.能够考虑多个PSD激励之间的相关程度：共谱值、二次谱值、空间关系和波

1

传播关系等；

5.能够得到位移、应力、应变和力的三种结果数据：1σ位移解，1σ速度解和

1σ加速度解；

3．利用ANSYS随机振动分析功能进行疲劳分析的一般原理

在工程界，疲劳计算广泛采用名义应力法，即以S-N曲线为依据进行寿命估算的方法，可以直接得到总寿命。下面围绕该方法举例说明ANSYS随机疲劳分析的一般原理。

当应力历程是随机过程时，疲劳计算相对比较复杂。但已经有许多种分析方法，这

里仅介绍一种比较简单的方法，即Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计

损伤定律的三区间法（应力区间如图1所示）：

应力区间发生的时间

-1σ ~+1σ68.3%的时间

-2σ ~+2σ27.1%的时间

-3σ ~+3σ 4.33%的时间

99.73%

大于3σ的应力仅仅发生在0.27%的时间内，假定其不造成任何损伤。在利用Miner

定律进行疲劳计算时，将应力处理成上述3个水平，总体损伤的计算公式就可以写成：

其中：

2

：等于或低于1σ水平的实际循环数目（0.6831 ）；

：等于或低于2σ水平的实际循环数目（0.271 ）；

：等于或低于3σ水平的实际循环数目（0.0433 ）；

, , ：根据疲劳曲线查得的1σ、2σ和3σ应力水平分别对应许可循环的次数。

综上所述，针对Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计损伤定律的

三区间法的ANSYS随机疲劳分析的一般过程是：

(1) 计算感兴趣的应力分量的统计平均频率(应力速度/应力)；

(2) 基于期望(工作)寿命和统计平均频率，计算1 ，2 和3 水平下的循环

次数、和；

(3) 基于S-N曲线查表得到、和；

(4) 计算疲劳寿命使用系数。

显然，根据其他随机疲劳分析方法和ANSYS随机振动分析结果，我们还可以进行

许多类似的疲劳分析计算。

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