CN112257320A - 一种机载机箱振动疲劳特性分析的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种机载机箱振动疲劳特性分析的方法；包括：步骤一，建立机载机箱的三维实体模型；步骤二，建立机载机箱的有限元仿真模型；步骤三，对机载机箱进行模态分析；步骤四，进行机载机箱的随机振动分析；步骤五，确定机载机箱的振动疲劳寿命和失效位置。本发明通过建立机载电子设备机箱结构的有限元仿真计算模型，进行模态分析、随机振动分析和疲劳分析计算，考虑频率带宽内结构动态响应与疲劳的关系，以固有频率和振型为基础，基于工作环境的加速度功率谱密度(PSD)激励荷载，对机载机箱进行随机振动分析，再结合材料的S‑N曲线，通过损伤累积的原理分析计算机载机箱结构的疲劳损伤、疲劳寿命和失效位置，具有高效率和高精度的特点。
Description
技术领域
本发明涉及机载电子设备机箱技术领域；尤其涉及一种机载机箱振动疲劳特性分析的方法。
背景技术
机载电子设备机箱为机载机箱内部的元器件提供良好的、能够抵抗外界恶劣条件的运行环境。机载电子设备机箱通常会经历工程现场工作、运输和安装的过程，运输过程中存在振荡和冲击，工作过程中会出现振动情况，这使得机载电子设备机箱长期处于严重振动和冲击的复杂环境中，导致机载机箱产生振动疲劳损伤，发生疲劳破坏。目前振动疲劳破坏是各种工程结构最常见的一种失效形式，结构的振动疲劳失效已成为疲劳领域的一个重要问题。
对于机载设备尤其是机载电子设备机箱，对设备的工作环境要求大大提高，相关设备的耐久试验振动量级、试验时间也大幅增加，设备的安全性和可靠性面临极大挑战。传统的设计－试验－改进的方法存在周期长、成本高的缺点，并且大多集中在寿命预测，导致机载电子设备机箱的使用工况受到限制。但现代工程对产品的要求越来越高，并且应用环境越来越复杂，传统的方法已经不能满足机载电子设备机箱振动疲劳特性分析计算的要求。
发明内容
为了克服现存的这些问题，本发明提供了一种机载机箱振动疲劳特性分析的方法。该方法考虑频率带宽内结构动态响应与疲劳的关系，以机载机箱结构模态分析所得固有频率和振型为基础，基于使用工况的加速度功率谱密度(PSD)激励荷载，对机载机箱进行随机振动分析，再结合材料的S-N曲线，通过损伤累积的原理分析计算机载机箱结构的疲劳损伤、疲劳寿命和失效位置等，分析计算效率和精度较高。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种机载机箱振动疲劳特性分析的方法，包括以下步骤：
步骤一，利用三维建模软件建立机载机箱的三维实体模型；
步骤二，建立机载机箱的有限元仿真模型；
步骤三，基于ANSYS/Workbench平台的Modal模块对机载机箱进行模态分析；
步骤四，利用Random Vibration模块进行机载机箱的随机振动分析；
步骤五，对机载机箱进行振动疲劳分析计算，对振动疲劳结果进行评估，分析振动疲劳破坏与机载机箱固有模态的关系，以及振动疲劳位置的动态响应结果，确定机载机箱的振动疲劳寿命和失效位置。
优选地，步骤一的具体步骤如下：
(1)简化对结果影响很小的小特征和微小零件
简化掉机载机箱上对振动疲劳特性分析计算结果影响较小的特征和微小零件，包括：安装螺纹孔、小圆角、BNC接头、插座、网口和风扇，由于质量很小，忽略其对振动疲劳特性分析计算结果的影响，建模时对其进行简化；
(2)建立机载机箱三维实体模型
利用SolidWorks软件建立机载机箱简化后的各个部分的三维实体模型，然后对机载机箱各个部分零件进行装配，组成装配体模型。
优选地，步骤二的具体步骤如下：
(1)导入机载机箱三维实体模型
将步骤一所述建立的机载机箱装配体三维实体模型以中间格式的文件类型导入有限元分析软件ANSYS的Geometry模块；
(2)定义机载机箱结构的材料参数
机载机箱结构材料采用铝合金，针对机载机箱结构振动疲劳寿命，将材料作为线弹性材料，对机箱结构材料定义密度、弹性模量和泊松比，输入S-N曲线，然后将所定义的材料属性赋予机载机箱相应零部件；
(3)对机载机箱结构进行网格划分
网格划分采用多区域的网格划分方法，设置单元类型为四面体10节点二次单元Solid187，先进性全局网格控制，然后再对局部网格进行细化；
(4)定义机载机箱有限元分析边界条件
首先设置接触，机载机箱由几部分部件组合而成，需要对机载机箱各部分零件定义接触，机载机箱各部分实际是固定连接的，因此定义接触类型为绑定连接(Bonded)；然后施加载荷，根据加速度功率谱密度(PSD)，对机载机箱施加相应荷载；最后定义求解模态的频域。
优选地，步骤三的具体步骤如下：
利用步骤二所建立的机载机箱的有限元模型，通过Workbench平台的Modal模块进行机载机箱的模态分析，获得机载机箱的模态特性，包括：固有频率和振型，作为随机振动分析的基础，为机载机箱的随机振动分析提供动力学参数。
优选地，步骤四的具体步骤如下：
利用步骤二所建立的机载机箱的有限元模型，并且基于步骤三机载机箱的模态分析结果，利用Random Vibration模块对机载机箱进行随机振动分析，获得机载机箱受到外界工作环境的激励载荷与机载机箱固有频率达到共振时，机载机箱危险振型及危险点的应力、位移特性曲线、速度和加速度响应结果。
优选地，步骤五的具体步骤如下：
应用Fatigue功能模块，结合机载机箱材料的S-N曲线，基于建立的疲劳损伤分析计算模型，对机载机箱进行振动疲劳分析，获得机载机箱的振动疲劳损伤结果，对振动疲劳结果进行评估，分析振动疲劳破坏与机载机箱固有模态的关系，以及振动疲劳位置的动态响应结果，确定机载机箱的振动疲劳寿命和失效位置。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明所涉及的该方法通过在有限软件ANSYS/Workbench平台建立机载电子设备机箱结构的有限元仿真计算模型，进行模态分析、随机振动分析和疲劳分析计算，该方法考虑频率带宽内结构动态响应与疲劳的关系，以机载机箱结构模态分析所得固有频率和振型为基础，基于工作环境的加速度功率谱密度(PSD)激励荷载，对机载机箱进行随机振动分析，再结合材料的S-N曲线，通过损伤累积的原理分析计算机载机箱结构的疲劳损伤、疲劳寿命和失效位置，具有高效率和高精度的特点。
附图说明
图1是机载机箱在随机载荷激励下的振动应力结果云图；
图2是机载机箱的位移响应谱图；
图3是输出机载机箱的加速度响应谱图；
图4是机载机箱的振动疲劳损伤云图；
图5是机载机箱的振动疲劳寿命结果云图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当指出的是，以下的实施实例只是对本发明的进一步说明，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。
实施例
本实施例涉及一种机载机箱振动疲劳特性分析的方法，包括以下步骤：
步骤一，利用三维建模软件建立机载机箱的三维实体模型；
步骤二，建立机载机箱的有限元仿真模型；
步骤三，基于ANSYS/Workbench平台的Modal模块对机载机箱进行模态分析；
步骤四，利用Random Vibration模块进行机载机箱的随机振动分析；
步骤五，对机载机箱进行振动疲劳分析计算，对振动疲劳结果进行评估，分析振动疲劳破坏与机载机箱固有模态的关系，以及振动疲劳位置的动态响应结果，确定机载机箱的振动疲劳寿命和失效位置。
步骤一中，所述利用三维建模软件建立机载机箱的三维实体模型的具体步骤为：
(1)简化对结果影响很小的小特征和微小零件
简化掉机载机箱上对振动疲劳特性分析计算结果影响较小的特征和微小零件，例如安装螺纹孔、小圆角、BNC接头、插座、网口和风扇等，由于机载机箱整体分析均为线性分析，安装螺纹等会导致模型包含非线性接触，因此简化掉安装螺纹等小特征，因小零件质量很小，对振动疲劳影响微小，且小零件通常包含小特征，所以忽略其对振动疲劳特性分析计算结果的影响，建模时对其进行简化。
(2)建立三维实体模型
利用SolidWorks软件建立机载机箱简化后的各个部分的三维实体模型，然后对机载机箱各个部分零件进行装配，组成机载机箱装配体模型，得到简化后可用于有限元计算的三维实体模型；
步骤二中，所述建立机载机箱的有限元仿真分析模型的具体步骤为：
(1)导入机载机箱三维实体模型
将步骤一所建立的机载机箱装配体三维实体模型保存成X_T类型的中间格式的文件类型，然后以中间格式的文件类型导入有限元分析软件ANSYS的Geometry模块中进行有限元分析；
(2)定义机载机箱结构的材料参数
机载机箱结构材料采用合金钢和铝合金，针对机载机箱结构振动疲劳寿命问题，可将机载机箱材料视为线弹性材料，对机箱结构材料定义密度、弹性模量和泊松比分别为2700kg/m3、0.31、70GPa，输入S-N曲线，完成材料定义之后，将定义好的材料赋予机载机箱相应的零件。
(3)对机载机箱结构进行网格划分
网格划分采用多区域的网格划分方法，设置网格类型为四面体10节点二次单元Solid187，先进性全局网格控制，然后再对局部网格进行细化。
(4)定义机载机箱有限元分析边界条件
首先设置接触，机载机箱由几部分部件组合而成，需要对机载机箱各部分零件定义接触，机载机箱各部分实际是固连的，因此在有限元软件ANSYS中定义接触为类型为绑定连接(Bonded)，软件中的绑定接触类型，其接触状态的计算是线性的，确保全局计算为线性计算；然后施加载荷，根据加速度功率谱密度(PSD)，对机载机箱施加相应荷载；最后定义求解模态的频域。
步骤三中，所述基于ANSYS/Workbench平台的Modal模块对机载机箱进行模态分析的具体步骤为：
利用步骤二所建立的机载机箱结构的有限元模型，通过Workbench平台的Modal模块进行机载机箱的模态分析，获得机载机箱的模态特性，包括固有频率和振型等，作为随机振动分析的基础，为机载机箱的随机振动分析提供动力学参数。
通过模态分析求得机载机箱的前10阶固有频率数值，并且确定每阶固有频率对应的主振型，查看每阶振型的参与系数及有效质量，然后通过参与系数和有效质量确定机载机箱的主振型。模态分析结果如表1所示。
表1
由表1数据，可得机载机箱前10阶固有频率范围在125Hz至578Hz之间，可知机载机箱的固有频率属于中低频段，表1中列出了机载机箱的前10阶模态的固有频率和3个平动方向上的模态有效质量。当外界激励载荷频率在机载机箱的固有频率125Hz至578Hz范围内，且载荷作用方向与振型一致时，机载机箱按固有频率产生振动响应，机载机箱有很大可能性发生共振。
步骤四中，所述利用Random Vibration模块进行机载机箱的随机振动分析的具体步骤为：
通过随机振动分析可以确定复杂载荷时结构的疲劳寿命，随机振动分析中，由高斯曲线来定义载荷和响应的随机分布情况，随机振动是基于功率谱密度的谱分析，是采用统计方法研究激励或系统响应为随机的振动系统，对于随机激励谱先将原输入随机频谱图按照不同频段进行滤波，在不同频段下得到频率与幅值的关系，对随机激励按照统计方法进行处理之后可得计算所需要的PSD曲线图。
随机振动理论计算式为：
随机振动理论计算式(1)中，ur禀s为1Sigma下单方向的位置响应；ε为阻尼比；f0为固有频率；M为振型的广义质量；γ为模态参与系数；
为模态振型；PSD为加速度输入参数。
随机振动对可能发生的概率工况进行定性分析，计算结果往往难以评估，计算随机振动时，基于步骤三的模态分析结果，通过式(1)计算变形结果，完成机载机箱的随机振动分析。
如图1所示，机载机箱整体应力分布，较大应力主要分布在机箱上盖板，应力在上盖板中心向外衰减，应力分布梯度较大，可知机载机箱的上盖板中心位置易发生疲劳，需要进行疲劳测试计算，机载机箱结构的3Sigma von Mises应力最大值为13.06MPa，位于机箱上盖板中心，是最先开始发生疲劳的位置。
如图2所示，机载机箱上盖板中心点在频率为200Hz附近位移响应最大，可能发生剧烈共振，在频率为329Hz和376Hz存在位移响应的次波峰，振幅有所减小，在频率为200Hz时机箱上盖板3Sigma von Mises应力最大，位移响应曲线中，第一个位移响应波峰之前位移响应在不断增大，之后随频率增加呈现波动态势，说明主要位移响应来源于2阶和3阶固有频率附近的随机载荷激励，结合上节模态分析结果可以肯定，正是机载机箱在该阶频率附近的低频共振导致了结构发生疲劳损伤。
如图3所示，机载机箱上盖板中心点的加速度输出谱值与其位移响应曲线变化趋势基本一致，在频率为200Hz时加速度谱值出现最大峰值，在频率为329Hz和376Hz时加速度出现第二个波峰和第三个波峰，峰值有所减小。当机载机箱加速度谱出现峰值时，机载机箱疲劳振动过程中会承受很大的破坏性的能量，容易导致机载机箱发生疲劳破坏。
步骤五中，所述对机载机箱进行振动疲劳分析计算，对振动疲劳结果进行评估，分析振动疲劳破坏具体为：首先基于Miner线性累积损伤理论的结构振动疲劳损伤原理，将机载机箱的疲劳损伤DL定义为随机振动时动力响应应力下的循环次数n与此应力下机载机箱材料疲劳寿命N之比，则有公式(2)：
机载机箱结构在多级应力幅值作用下，机载机箱的疲劳损伤为公式(3)：
公式(3)中：ni为机载机箱结构在第i级应力水平下的循环次数；Ni为第i级应力水平下的疲劳寿命。
采用3个统计参数，从随机振动信号中估计振动应力水平和应力的周期数量，这三个参数分别是均值、峰值和不规则因子，进而定义结构响应的n阶惯性矩为公式(4)：
公式(4)中，G(f)为应力谱密度,fn为结构响应的第n阶频率值，Mn为结构响应的第n阶惯性矩。
则3个统计参数分别为：
其中，公式(5)中，E(0)是均值，M0是统计参数点结构响应的惯性矩,M2是统计点的结构响应的惯性矩。
其中，公式(6)中，E(p)是峰值，M2是统计点的结构响应的惯性矩,M4是统计点的结构响应的惯性矩。
其中，公式(7)中，γ是不规则因子，M0是统计点的结构响应的惯性矩，M2统计点的结构响应的惯性矩，M4是统计点的结构响应的惯性矩。
每秒内应力S对应的次数为：
N(S)＝E(P)·p(S)(8)；
其中，公式(8)中，N(S)是每秒内应力S对应的次数，E(P)是峰值，P(S)是应力幅值概率密度函数。
根据Dirlik理论可得到机载机箱随机振动时结构的疲劳损伤为：
其中，公式(9)中，Sm是每秒内的应力，T是疲劳寿命，C是疲劳常数，E(P)是峰值。
应用Fatigue功能模块，结合机载机箱材料的S-N曲线，基于上述疲劳损伤计算法，对机载机箱进行振动疲劳分析，获得机载机箱的振动疲劳损伤结果，对振动疲劳结果进行评估，分析振动疲劳破坏与机载机箱固有模态的关系，以及振动疲劳位置的动态响应结果，确定机载机箱的振动疲劳寿命和失效位置。
如图4所示，机载机箱疲劳损伤云图中，主要发生疲劳损伤的位置在机载机箱上盖板中心位置，其余两处位于上盖板的中心两侧，上盖板中心位置疲劳损伤面积较大，两侧部位损伤面积较小，损伤位置与步骤四应力云图应力最大值位置一致，可初步判断机载机箱振动疲劳损伤的发生位置为机载机箱上盖板中心及其两侧，也是机载机箱振动疲劳失效开始发生的部位。
如图5所示，机载机箱疲劳寿命的计算结果云图中，寿命最短的位置同样位于机载机箱上盖板中心及其两侧附近位置，机载机箱上部振动疲劳严重寿命较短，约靠近下部的底座则寿命越长，发生振动疲劳损伤的概率越小，根据机载机箱疲劳寿命计算结果云图可得机载机箱结构各部位的具体疲劳寿命以及疲劳寿命大小的分布情况，能简便有效的分析机载机箱结构的疲劳寿命和疲劳失效位置。
本发明所涉及的方法通过在有限软件ANSYS/Workbench平台建立机载电子设备机箱结构的有限元仿真计算模型，进行模态分析、随机振动分析和疲劳分析计算，该方法考虑频率带宽内结构动态响应与疲劳的关系，以机载机箱结构模态分析所得固有频率和振型为基础，基于工作环境的加速度功率谱密度(PSD)激励荷载，对机载机箱进行随机振动分析，再结合材料的S-N曲线，通过损伤累积的原理分析计算机载机箱结构的疲劳损伤、疲劳寿命和失效位置，具有高效率和高精度的特点。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。
Claims (6)
1.一种机载机箱振动疲劳特性分析的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，利用三维建模软件建立机载机箱的三维实体模型；
步骤二，建立机载机箱的有限元仿真模型；
步骤三，基于ANSYS/Workbench平台的Modal模块对机载机箱进行模态分析；
步骤四，利用Random Vibration模块进行机载机箱的随机振动分析；
步骤五，对机载机箱进行振动疲劳分析计算，对振动疲劳结果进行评估，分析振动疲劳破坏与机载机箱固有模态的关系，以及振动疲劳位置的动态响应结果，确定机载机箱的振动疲劳寿命和失效位置。
2.如权利要求1所述的机载机箱振动疲劳特性分析的方法，其特征在于，步骤一的具体步骤如下：
(1)简化对结果影响很小的小特征和微小零件
简化掉机载机箱上对振动疲劳特性分析计算结果影响较小的特征和微小零件，包括：安装螺纹孔、小圆角、BNC接头、插座、网口和风扇，建模时对其进行简化；
(2)建立机载机箱三维实体模型
利用SolidWorks软件建立机载机箱简化后的各个部分的三维实体模型，然后对机载机箱各个部分零件进行装配，组成装配体模型。
3.如权利要求1所述的机载机箱振动疲劳特性分析的方法，其特征在于，步骤二的具体步骤如下：
(1)导入机载机箱三维实体模型
将步骤一所述建立的机载机箱装配体三维实体模型以中间格式的文件类型导入有限元分析软件ANSYS的Geometry模块；
(2)定义机载机箱结构的材料参数
机载机箱结构材料采用铝合金，针对机载机箱结构振动疲劳寿命，将材料作为线弹性材料，对机箱结构材料定义密度、弹性模量和泊松比，输入S-N曲线，然后将所定义的材料属性赋予机载机箱相应零部件；
(3)对机载机箱结构进行网格划分
网格划分采用多区域的网格划分方法，设置单元类型为四面体10节点二次单元Solid187，先进性全局网格控制，然后再对局部网格进行细化；
(4)定义机载机箱有限元分析边界条件
首先设置接触，机载机箱由几部分部件组合而成，需要对机载机箱各部分零件定义接触，机载机箱各部分实际是固定连接的，因此定义接触类型为绑定连接；然后施加载荷，根据加速度功率谱密度，对机载机箱施加相应荷载；最后定义求解模态的频域。
4.如权利要求1所述的机载机箱振动疲劳特性分析的方法，其特征在于，步骤三的具体步骤如下：
利用步骤二所建立的机载机箱的有限元模型，通过Workbench平台的Modal模块进行机载机箱的模态分析，获得机载机箱的模态特性，包括：固有频率和振型，作为随机振动分析的基础，为机载机箱的随机振动分析提供动力学参数。
5.如权利要求1所述的机载机箱振动疲劳特性分析的方法，其特征在于，步骤四的具体步骤如下：
利用步骤二所建立的机载机箱的有限元模型，并且基于步骤三机载机箱的模态分析结果，利用Random Vibration模块对机载机箱进行随机振动分析，获得机载机箱受到外界工作环境的激励载荷与机载机箱固有频率达到共振时，机载机箱危险振型及危险点的应力、位移特性曲线、速度和加速度响应结果。
6.如权利要求1所述的机载机箱振动疲劳特性分析的方法，其特征在于，步骤五的具体步骤如下：
应用Fatigue功能模块，结合机载机箱材料的S-N曲线，基于建立的疲劳损伤分析计算模型，对机载机箱进行振动疲劳分析，获得机载机箱的振动疲劳损伤结果，对振动疲劳结果进行评估，分析振动疲劳破坏与机载机箱固有模态的关系，以及振动疲劳位置的动态响应结果，确定机载机箱的振动疲劳寿命和失效位置。
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