振动疲劳试验与CAE分析 动态播放
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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
1
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
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
频率（Hz） 20 70 100
PSD 0.00304 0.00304 0.00626
19
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
20
3.利用Rayleigh、Gaussian 分布按一定的权重比例组 合，适用于宽带信号
7
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
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
4
1.1 应力疲劳与振动疲劳对比
5.3 疲劳寿命计算
31
5.4 随机振动对比
C-9B采用合成随机谱加载，垂直方 向、左右方向、前后方向各振动10 小时。除锁扣安装螺钉松动外，未 出现开裂现象。3辆C-9B驾驶室在宁 夏矿区恶劣工况工作3000小时未出 现开裂。 前后方向振动，“B 柱转角”处的 寿命为2.3 E+14s。这远大于10h， 与试验结果相符。
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
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
权重
5% 5% 10% 10% 40% 30%
延长倍数
120000 51430 120000 55380 288000 180000
15
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
16
3.3 加载谱合成流程
基于累积寿命等效原则
17
3.3 台架振动加载谱 X
—— 减振前
—— 减振后
12
3
台架振动加载谱合成
Hale Waihona Puke Baidu13
3.1 载荷谱组合
时域叠加
14
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
32
5.5 扫频振动对比
台架垂直方向振动17 h （6.12 E+04s），“B 柱 上转角”处出现开裂。 垂直振动“B 柱上转角” 处的计算寿命为 2.25E+04s，合计6.3h
33
5.6 结构优化
结构优化
1.15E+04
34
6.62E+04
补录
35
36
◆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
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
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
26
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
21
4.1 C-9B驾驶室结构
C-9A
型材骨架
+
C-9B
=
22
4.2 台架振动试验
C-9B驾驶室
23
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
•
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
1
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
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
频率（Hz） 20 70 100
PSD 0.00304 0.00304 0.00626
19
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
20
3.利用Rayleigh、Gaussian 分布按一定的权重比例组 合，适用于宽带信号
7
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
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
4
1.1 应力疲劳与振动疲劳对比
5.3 疲劳寿命计算
31
5.4 随机振动对比
C-9B采用合成随机谱加载，垂直方 向、左右方向、前后方向各振动10 小时。除锁扣安装螺钉松动外，未 出现开裂现象。3辆C-9B驾驶室在宁 夏矿区恶劣工况工作3000小时未出 现开裂。 前后方向振动，“B 柱转角”处的 寿命为2.3 E+14s。这远大于10h， 与试验结果相符。
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
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
权重
5% 5% 10% 10% 40% 30%
延长倍数
120000 51430 120000 55380 288000 180000
15
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
16
3.3 加载谱合成流程
基于累积寿命等效原则
17
3.3 台架振动加载谱 X
—— 减振前
—— 减振后
12
3
台架振动加载谱合成
Hale Waihona Puke Baidu13
3.1 载荷谱组合
时域叠加
14
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
32
5.5 扫频振动对比
台架垂直方向振动17 h （6.12 E+04s），“B 柱 上转角”处出现开裂。 垂直振动“B 柱上转角” 处的计算寿命为 2.25E+04s，合计6.3h
33
5.6 结构优化
结构优化
1.15E+04
34
6.62E+04
补录
35
36
◆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
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
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
26
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
21
4.1 C-9B驾驶室结构
C-9A
型材骨架
+
C-9B
=
22
4.2 台架振动试验
C-9B驾驶室
23
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