随机振动和nCode疲劳分析

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以下文章来源于CAE数值优化轻量化，作者方永利

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了随机振动疲劳分析的方法和步骤。首先，通过频域傅里叶变换生成PSD载荷，然后进行结构的频响分析，包括特征值提取、计算频率、步长和结构阻尼等设置。接着，进行疲劳分析，包括PSD载荷输入、概率密度函数选择、材料疲劳性能等。最后，根据实际应用场景，对电池包进行分析，按照标准输入PSD值，进行三个方向的振动测试。

随机振动是一种只能从统计学意义上描述的振动。它在任何时候的瞬时大小是未知的；相反，它的大小超过某个值的概率是给定的。比如：地震激励，风/波浪激励（建筑），振动器测试（电子装置，汽车零部件）等等。

PSD载荷是通过频域傅里叶变换，然后通过包络生成。

这里可以看出，PSD载荷一般都是通过包络处理的，因此结果一般都是保守的。这和响应谱分析是一样的，输入载荷做了包络处理，响应谱分析给出的峰值也是保守的。

随机振动疲劳分析主要有两个部分，1.结构的频响分析（直接频响和模态频响都可以）获得频响应力；2.疲劳分析，包括PSD载荷输入、概率密度函数选择，材料疲劳性能等。

比如常见的电池包分析中，按照GB/T31467.3 7.1 振动一条要求，蓄电池包需要在振动台上进行三个方向上进行，测试从Z轴开始，然后是Y轴，最后是X轴。每个方向的测试时间是21个小时。测试按下表中PSD值进行。

第一步：进行频响分析（SOL111）

支架底座两个安装点通过RBE2抓到一起，通过SPC1约束123456。随机振动有三个方向，激励PSD载荷按照标准输入。因此在频响分析中需要进行5～200Hz范围的扫频，步长5Hz（freq1），为了保证计算精度，可以在结构响应的峰值位置增加计算频率（freq4）。单位加速度激励通过SPCD施加。结构阻尼为0.05。为了保证和PSD载荷表中的单位保持一致，需要保证频响分析中的单位和系数协调统一，因为PSD输入是按g^2/Hz，因此频响分析的激励需要换算成9810mm/s^2。

特征值提取到400Hz（为保证结果精度，模态提取设置为2倍的激励频率）：

计算频率为5～200Hz，步长5Hz，为了保证计算精度，在峰值响应点增加5个计算点：

结构阻尼0.05：

X向激励：

频响应力结果：

X向 Mode1

Y向 Mode1

Z向 Mode1

第二步：进行疲劳分析

Ncode随机振动疲劳分析流程中主要包括4个模块：1.频响分析FE结果，主要获得单位激励载荷下的频响单元应力；2.PSD输入载荷，可通过VibrationGenerator生成PSD载荷输入；3.疲劳分析求解模块，包括载荷、材料、求解设置等；4.疲劳分析结果显示，包括云图显示和数据显示。

振动有ZYX三个方向，按顺序进行，因此通过Ncode的dutycycle实现三个方向的按顺序分析计算并自动进行结果叠加。

一些关键设置：

1.PSD载荷输入通过VibrationGenerator生成：

2.在LoadProviderDutyCycle中设置Repeat Count分别为75600，此处的1次count为1s，75600s即21h：

3.三个方向的频响应力结果和下面的三个PSD载荷需要一一对应，在Load Case Assignments中进行对应：

4.在Advanced中可以设置PSD载荷循环计数的方法，选择Dirlik；

Femfat随机振动疲劳分析使用的是SPECTRAL模块，Femfat随机振动分析同样需要输入应力和PSD激励。单元应力的输入本质上输入频响应力，femfat的输入方式为模态应力加频响函数的方式。因此在有限元分析模型中需要设置两种载荷步，一个用于计算模态应力，结果保存为op2格式的文件，另一种用于计算频响函数，结果保存为pch格式的文件中。Femfat随机振动疲劳分析和ncode随机振动疲劳分析的输入有所差异。

第一步：进行频响分析（SOL111）

支架底座两个安装点通过RBE2抓到一起，通过SPC1约束123456。随机振动有三个方向，激励PSD载荷按照标准输入。因此在频响分析中需要进行5～200Hz范围的扫频，步长5Hz（freq1），为了保证计算精度，可以在结构响应的峰值位置增加计算频率（freq4）。单位加速度激励通过SPCD施加。结构阻尼为0.05。为了保证和PSD载荷表中的单位保持一致，需要保证频响分析中的单位和系数协调统一。模态应力保存在op2文件中，传递函数结果保存在pch文件中。

其他的一些设置和上面的设置一致。

模态应力：

Mode 1

Mode 2

Mode 3

X向 Mode1传函

Y向 Mode1传函

Z向 Mode1传函

1.导入模态应力结果；

2.导入传函结果；

3.导入常应力（平均应力）结果，这个可选的。如果部件有常应力工况，比如曲柄在运行时会一直有常扭矩的受力时，疲劳分析时可以把这个状态作为平均应力或常应力状态，则疲劳分析时会考虑平均应力的影响。这个功能femfat和ncode是一致的。

PSD激励通过读取csv格式的预定好的PSD激励载荷：

随机振动疲劳分析可以使用Ncode和femfat等疲劳分析软件进行，两个软件的功能性基本上是一致的。可以根据用户习惯选择使用。随机振动疲劳分析只是结构性能的一个方面，在结构优化或进行轻量化设计时可以将其作为一个性能进行约束，或作为验证工况进行考察分析。如果作为性能约束来考虑，或者单独考虑，或者在多学科中考虑。ncode和和femfat联合优化软件的过程可以参考以前的文章描述。