ANSYS 高清晰 精品资料：第15章 随机振动和随机疲劳分析实例
疲劳分析的数值计算方法及ANSYS疲劳分析实例
及实例第一节引言零件或构件由于交变载荷的反复作用，在它所承受的交变应力尚未达到静强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并扩展、最后突然断裂。
这种现象称为疲劳破坏。
疲劳裂纹的形成和扩展具有很大的隐蔽性而在疲劳断裂时又具有瞬发性，因此疲劳破坏往往会造成极大的经济损失和灾难性后果。
金属的疲劳破坏形式和机理不同与静载破坏，所以零件疲劳强度的设计计算不能为经典的静强度设计计算所替代，属于动强度设计。
随着机车车辆向高速、大功率和轻量化方向的迅速发展，其疲劳强度及其可靠性的要求也越来越高。
近几年随着我国铁路的不断提速，机车、车辆和道轨等铁路设施的疲劳断裂事故不断发生，越来越引起人们的重视。
疲劳强度设计及其研究正在成为我国高速机车车辆设计制造中的一项不可缺少的和重要的工作。
金属疲劳的研究已有近150年的历史，有相当多的学者和工程技术人员进行了大量的研究，得到了许多关于金属疲劳损伤和断裂的理论及有关经验技术。
但是由于疲劳破坏的影响因素多而复杂并且这些因素互相影响又与构件的实际情况密切相关，使得其应用性成果尚远远不能满足工程设计和生产应用的需要。
据统计，至今有约90%的机械零部件的断裂破坏仍然是由直接于疲劳或者间接疲劳而引起的。
因此，在21世纪的今天，尤其是在高速和大功率化的新产品的开发制造中，其疲劳强度或疲劳寿命的设计十分重要，并且往往需要同时进行相应的试验研究和试验验证。
疲劳断裂是因为在零件或构件表层上的高应力或强度比较低弱的部位区域产生疲劳裂纹，并进一步扩展而造成的。
这些危险部位小到几个毫米甚至几十个微米的范围，零件或构件的几何缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕伤痕及材料的内部缺陷等往往是这种危险部位。
因此，提高构件疲劳强度的基本途径主要有两种。
一种是机械设计的方法，主要有优化或改善缺口形状，改进加工工艺工程和质量等手段将危险点的峰值应力降下来；另一种是材料冶金的方法，即用热处理手段将危险点局部区域的疲劳强度提高，或者是提高冶金质量来减少金属基体中的非金属夹杂等材料缺陷等局部薄弱区域。
Ansys nCode疲劳分析
Smax Sa Sm Sa Smin
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DS
3.3 平均应力对疲劳寿命的影响
对于应力-疲劳寿命，平均应力的影响通常使用Goodman 或者 Gerber平均应力 修正理论 Goodman 平均应力修正理论假设一条直线
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3.2 缺口应力集中对疲劳寿命的影响
应力梯度影响可以通过Advanced Edit进行定义
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3 平均应力对疲劳寿命的影响
循环峰值应力范围(总应力变化)是影响疲劳寿命的主要因素
– 在应力循环中平均应力是第二个影响因素
在nCode中采用FKM的应力梯度法
– 确定校正系数
在雨流计数前得到有效应力分量：
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3.2 缺口应力集中对疲劳寿命的影响
− User:从查找表中用户自定义应力梯度校正 自定义格式:
Stress gradient correction factor file v1.0 Dimension=mm #Normalized stress gradient G, correction factor n StartCorrectionData 0,1 1,1.1 10,1.2 100,1.3 EndCorrectionData
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3.4 平均应力对疲劳寿命的影响
Sm Sa 1 Se Su
• Goodman 更保守 • 实际的数据往往介于Goodman 和Gerber之间
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ansys疲劳可靠性及随机振动分析
ANSYS疲劳分析
5. 调入载荷步计算并储存节点应力分量
Main Menu>General Postproc>Read Results>First Set(Next Set) Main Menu>General Postproc>Fatigue>Store Stresses>From rst File
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3. 定义材料应变强化指数M和N
Main Menu>General Postproc>Fatigue>Property Table>Elas-plas Par
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4. 定义关键点及应力集中系数
Main Menu>General Postproc>Fatigue>Stress Locations
！定义载荷变量 ！设置实常数 ！定义材料参数
！建立平面 ！建立中间圆孔面 ！面的布尔操作 ！设置单元划分的分段数 ！定义单元为四边形 ！网格自由划分 ！划分网格 ！结束前处理
ANSYS可靠性分析
二．进入概率分析模块，选定分析文件
Main Menu>Prob Design>Analysis File>Assign
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② 显示输入随机变量的采样曲线
（Main Menu>Prob Results>Sampl History）
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③ 显示输入随机变量的累计概率分布曲线
（Main Menu>Prob Results>CumulativeDF）
ANSYS可靠性分析
④ 还可以显示输出随机变量的概率敏感图以及输出随机变 量和输入随机变量的相关性等。
ANSYS Mechanical 动力学_L05_随机振动
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…PSD 曲线拟合
• 为了解决拟合优度问题： • 点击弹出的载荷数据选项，并选择改良的拟合
• 如果插值点在拟合优度近似中可用则显示
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E. 求解设置
• 这些随机振动同时包含了所有频率 • 这些频率的振动幅值随时间随机变化
• 我们需要一些方法来描述和衡量这些激励
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…定义和目的
• 如果幅值持续变化，如何评估一个随机激励
• 重点关注：在给定频率范围内，激励的幅值确实持续变化，但对很多 过程而言，其均值趋向于保持相对稳定
ANSYS Mechanical 动力学技术专题培训
随机振动分析
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简介
在这一章中，将介绍随机振动分析 本章内容： A. 什么是随机振动 B. 功率谱密度 PSD C. 理论概述 D. PSD 曲线拟合 E. 求解设置 F. 作业4
• PSD 曲线定义为分段线性频率表，并以如下方式在对数空间下绘制
• 曲线拟合多项式用于曲线的积分解析表达式 • 为了得到较好的拟合，在连续点间的 PSD 值应在一个数量级内变化
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…PSD 曲线拟合
• 一旦输入了载荷，图中提供一种 颜色标识以指示每一区段 • 绿色：认为值可信和准确 • 黄色：警告提示，认为产生 的结果不可信不准确 • 红色：产生的结果不可信。 建议你在求解前改变 PSD 输 入载荷
随机振动分析实例
ANSYS 动力分析(18) - 随机振动分析- 实例(1)2010-09-26 07:41:23| 分类：ANSYS 动力分析| 标签：随机振动实例模型飞机机翼psd|举报|字号订阅PSD 实例：模型飞机机翼的随机振动说明：确定由于施加在机翼根部的Y 向加速度PSD，在模型飞机机翼中造成的位移和应力。
假设机翼在Z=0 处固支。
操作指南1. 清除数据库并读入文件wing. inp 以创建几何模型和网格。
2. 定义材料属性：弹性模量= 38000 psi 泊松比= 0.3密度= 1.033E-3/12 lbf-sec2/in4 = 8.6083E-53. 施加边界条件。
提示：选择在areas 上施加位移约束，拾取Z=0 处所有的Areas，约束所有自由度。
4. 定义新分析为Model，使用Block Lanczos 方法，抽取和扩展前15 个自然模态。
然后求解Current LS。
5. 查看模态形状，如图为前 4 阶振型。
6. 使用所显示的 PSD 谱，执行 PSD Spectrum 分析。
首先定义分析类型为 Spectrum分析类型为 PSD，使用全部模态，计算单元应力：注意激活“Calculate elem stresses”选项。
7. 在基础上施加指定的 PSD 谱 (注意：确保 PSD 的单位是 G2/Hz)。
施加 Y 向激励 (方法是：在基础节点上施加单位 Y 向位移)。
设置常阻尼比 0.02：设置有关参数–重力加速度值注意：响应谱类型选择 Accel (g**2/Hz)，否则后面的 PSD 谱应该输入实际加速度值：定义 PSD 谱表格：绘制 PSD 谱表格曲线以检查输入值：激活和设置模态组合参数：选择所有模态。
设置计算内容：计算各模态的参与因子:在输出窗口中可以看到参与因子的计算结果：求解：10. 在一般后处理中，查看相对位移和应力 (载荷步 3)。
首先查看 Results Summary：载荷步 3 为 set 17查看载荷步 3 的相对位移和应力：在 Read Results 中读取载荷步 3 的结果：使用 By set Number，输入 Data Set Number 为 17。
利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析
利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析ANSYS是一款常用的工程仿真软件，具有强大的分析功能。
在进行随机疲劳分析时，可以利用ANSYS的随机振动分析功能来模拟随机加载下的疲劳损伤。
随机疲劳分析是一种考虑工作载荷随机性对结构疲劳寿命影响的方法。
通过采用随机振动分析，可以考虑到工作载荷的随机特性，进一步分析结构的疲劳损伤。
ANSYS中的随机振动分析功能可以通过以下步骤来进行：1.几何建模：首先，需要进行结构的几何建模。
使用ANSYS的几何建模工具可以创建出要进行疲劳分析的结构。
2.材料属性定义：在进行材料属性的定义时，需要确定材料的弹性模量、泊松比、密度和疲劳参数等。
可以根据材料的材料数据手册来获取这些参数。
3.边界条件设置：在进行随机振动分析时，需要设置结构的边界条件。
这些边界条件可以是结构受到的随机外载荷或者是结构与其他部件的接触情况。
4.加载设置：在进行随机振动分析时，需要设置结构受到的随机载荷。
这些载荷可以是来自于实际工况的随机载荷，也可以通过振动台试验数据等手段获取。
5.随机振动分析：利用ANSYS的随机振动分析功能，可以进行频域分析或时域分析。
频域分析可以用于计算结构的响应功率谱密度，时域分析可以用于计算结构的随机响应。
6.疲劳寿命计算：在获得结构的随机响应后，可以进行疲劳寿命计算。
根据结构的随机响应和材料的疲劳性能参数，可以使用ANSYS的疲劳分析功能来计算结构的疲劳寿命。
通过以上步骤，可以利用ANSYS的随机振动分析功能实现随机疲劳分析。
这种方法能够更全面地考虑结构在实际工作环境下的疲劳寿命，为结构的设计和改进提供准确的参考。
需要注意的是，在进行随机疲劳分析时，需要对随机载荷进行合理的统计分析，获取载荷的概率密度函数。
如果没有足够的载荷数据，也可以使用统计模型进行估计。
此外，还需要对材料的疲劳性能参数进行准确的测定，以保证疲劳寿命计算的准确性。
总之，利用ANSYS的随机振动分析功能进行随机疲劳分析是一种有效的方法，可以更准确地评估结构在随机工作载荷下的疲劳性能，为结构的设计和改进提供有力的支持。
Ansys培训-随机振动分析
15. In the Details of the PSD Load,
14
change “Direction” to “Y Axis” for
this particular XYZ orientation.
16. For >Load Data chose >New PSD Load
Acceleration
– The data points can be entered for each Freq & Amplitude, or a function can be entered.
Acceleration
A2
A3
A1 A4
F1 F2
F3
F4
Frequency
Workshop – 假定
• The Girder has fixed constraints along all lower edges.
2. Click OK, thus accepting the default number of modes
3. Choose the U.S. inch pound unit system.
– “Units > U.S. Customary (in, lbm, lbf, …)” 1
2
3
Workshop – 前处理-壳体厚度
PSD分析. • Steps: 进行模态和随
机振动分析，并显示 结果.
随机振动分析
随机振动分析流程 打开, Tower.dsdb.
• Browse to file if not in list
• 打开分析向导…
随机振动分析
随机振动分析流程
随机振动分析
ANSYS-随机振动分析功能实现随机疲劳分析
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： 1 位移解， 1 速度解和 1 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68.3% 的时-1~+1间27.1% 的时-2~+2间4.33% 的时-3~+3间99.73%大于 3的应力仅仅发生在0.27%的时间内，假定其不造成任何损伤。
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第15章 随机振动和随机疲劳分析实例 谱分析是一种将模态分析的结果与一个已知的谱联系起来计算模型的位移和应力的分析技术，主要用于确定结构对随机载荷或随时间变化载荷(如地震、风载、海洋波浪、喷气发动机推力、火箭发动机振动等等)的动力响应情况。
谱是谱值与频率的关系曲线，它反映了时间—历程载荷的强度和频率信息。
谱分析分为：响应谱分析、动力设计分析方法(Dynamic Design Analysis Method ，DDAM)和功率谱密度(Power Spectral Density —PSD,也称为随机振动分析)。
其中，一个响应谱代表单自由度系统对一个时间—历程载荷函数的响应，它是一个响应与频率的关系曲线，其中响应可以是位移、速度、加速度、力等。
下面以一个梁—板壳结构在地震位移激励作用下的随机振动分析为例，来将讲解用ANSYS6.1进行随机振动分析的具体过程，对于其它类型的谱分析的基本分析步骤可参阅本书第10章。
15.1 问题描述
某板—梁结构如图15.1所示，计算在Y
方向的地震位移激励谱作用下整个结构的
响应情况。
板—梁结构的基本尺寸如图13.1
所示，地震谱如表15.1所示，其它材料属性
和几何特性数据如下：
图15.1 梁－板壳结构模型
A3钢的材料特性：杨氏模量EX ＝2.1 E
11 N/m 2，泊松比PRXY ＝0.3，密度DENS ＝
7.8 E 3 Kg/m 3。
板壳：厚度＝2E-3 m
梁几何特性：截面面积＝1.6E-5 m 2， 惯
性矩＝21.333E-12 m 4 ， 宽度＝4E-3 m ，
高度＝4E-3 m
表15.1梁—板结构所受的谱表
位移激励谱
频率(Hz) 0.5 1.0 2.4 3.8 17 18 20 32 位移(×10-3m) 0.01 0.016 0.03 0.02 0.005 0.01 0.015 0.01
15.2 建立模型
跟所有在ANSYS6.1中进行的结构分析一样，建立本实例的有限元模型同样需要完成
如下工作：指定分析标题，定义材料性能，定义单元类型，定义单元实常数，建立几何模
型并进行有限元网格划分等。
对于本实例由于其结构中有大量的相同部件，因此主要介绍
如何利用ANSYS6.1提供的实体拷贝功能来建立需要的有限元模型，并大量用运实体属性
进行选择实体选取，读者可对这两种技巧着重掌握。
下面将详细讲解分析过程。
15.2.1指定分析标题并设置分析范畴
根据本实例分析的问题，指定分析标题为“PSD analysis of the beam - shell structure”。
因为本实例进行的仍是结构分析，所以应指定为结构分析范畴：Structural，以便在进行分
析时程序能提供合适的菜单选项。
下面进行具体的操作。
1．选取菜单路径Utility Menu | File | Change Jobname，将弹出Change Jobname (修改文
件名)对话框，如图15.2所示。
图15.2 修改文件名对话框
2．在Enter new jobname (输入新文件名)文本框中输入文字“CH15”，为本分析实例
的数据库文件名。
单击对话框中的按钮，完成文件名的修改。
3．选取菜单路径Utility Menu | File | Change Title，将弹出Change Title (修改标题)对话
框，如图15.3所示。
图15.3 修改标题对话框
4．在Enter new title (输入新标题)文本框中输入文字“PSD analysis of the beam - shell structure”，为本分析实例的标题名。
单击对话框中的按钮，完成对标题名的指定。
5．选取菜单路径Utility Menu | Plot | Replot，指定的标题“PSD analysis of the beam - shell structure”将显示在图形窗口的左下角。
6．选取菜单路径Main Menu | Preference，将弹出Preference of GUI Filtering (菜单过滤参数选择)对话框。
单击Structural(结构)选项使之被选中，以将菜单设置为与结构分析相关的选项。
单击按钮，完成分析范畴的指定。
15.2.2 定义单元类型
对于本实例分析的问题需要定义两种单元类型，一种为模拟梁的弹性梁单元BEAM4，另一种为模拟板特性的壳单元SHELL63。
具体的定义过程如下：
1．选取菜单路径Main Menu | Preprocessor | Element Type | Add/Edit/Delete，将弹出
Element Types (单元类型定义)对话框。
单击对话框中的按钮，将弹出Library of Element Types (单元类型库)对话框，如图15.4所示。
图15.4 单元类型库对话框
2．在左边的滚动框中单击“Structural Shell”，选择结构壳单元类型。
在右边的滚动框中单击“Elastic 4node 63”，使其高亮度显示，选择4节点弹性壳单元。
在对话框中单击按钮，完成对这种单元的定义。
由于单击了按钮，单元类型库对话框将继续显示。
3．接着继续在Library of Element Types (单元类型库)对话框的左边滚动框中单击“Structural Beam”，在右边的滚动框中单击“3D elastic 4”，使其高亮度显示，选择3维弹性梁单元。
单击对话框中的按钮，完成单元定义并关闭Library of Element Types (单元类型库)对话框。
4．在单元类型定义对话框的定义的单元列表框中显示了刚才定义的两种单元类型：SHELL63,BEAM4 (见图15.5)。
单击Element Types (单元类型定义)对话框中的按钮，关闭对话框中，完成单元类型的定义。
图15.5 定义的单元类型
15.2.3 定义单元实常数
因为使用的单元是梁单元和壳单元，所以还需要定义相应的单元实常数才能完成对单元特性的描述。
具体的操作如下：
1．选取菜单途径Main Menu | Preprocessor | Real Constants，将弹出Real Constants (实常数定义)对话框。
单击对话框中的按钮，将弹出Element Type for Real Constants (选择定义实常数的单元类型)对话框，如图15.6所示。
图15.6选择定义实常数的单元类型对话框
3．在选择单元类型列表框中，单击“Type 1 SHELL63”使其高亮度显示，选择第一类单元SHELL63。
然后单击该对话框中的按钮，将弹出Real Constant Set Number 1,for SHELL63 (为SHELL63单元定义实常数) 对话框如图15.07所示。
图15.7为SHELL63单元定义实常数对话框
4．在对话框中的Shell thickness at node I TK(I) (壳的厚度)文本框中输入2E-3，定义板壳的厚度为2E-3 m。
5．其余参数保持缺省。
单击按钮，关闭Real Constants Set Number 1，for SHELL63 (单元SHELL63的实常数定义)对话框。
完成对单元SHELL63实常数的定义。
6．重复步骤2的过程，在弹出的Element Type for Real Constants (选择定义实常数的单元类型)对话框的列表框中单击“Type 2 BEAM4”，使其高亮度显示。
然后单击按钮，将弹出Real Constant Set Number 2,for BEAM4 (为BEAM4单元定义实常数) 对话框如图15.8所示。