带缺口铝板在随机振动下的疲劳寿命分析

01 综述


铝板形状如图1(a),厚度为1.27mm,螺栓孔处固定,在板厚度方向垂直振动,试验设备如图1(b)。图2为振动台的输入PSD曲线,记录试样疲劳断裂时间。Fe-safe是专业的疲劳分析工具,可以进行随机振动疲劳寿命预估,流程如图3,在Abaqus中先进行模态分析和扫频分析,得到各阶模态参与因子;结合输入PSD曲线,计算产品的疲劳寿命。


带缺口铝板随机振动疲劳分析的图1

a)试样尺寸



带缺口铝板随机振动疲劳分析的图2

b)试验设备



图1 试样与试验装置

带缺口铝板随机振动疲劳分析的图3



图2 PSD输入曲线

带缺口铝板随机振动疲劳分析的图4

图3 Fe-safe疲劳分析流程




02 模态计算与扫频分析

建立有限元模型,螺栓连接位置用rigid耦合到参考点上,固定参考点。铝板缺口位置网格局部加密,单元类型为S4 和S3。提取前10阶模态,分析结果如表1,图5为前4阶动画,mode1、mode2、 mode4 分别为一阶弯曲、二阶弯曲和三阶弯曲,mode3 为一阶扭转。


带缺口铝板随机振动疲劳分析的图5

图4 有限元模型


Modes
Frequency [Hz]12345678910
10.8954.57116.18158.18186.99273.45282.77294.49499.07490.0表1 模态分析结果
   

带缺口铝板随机振动疲劳分析的图6

图5 mode1 ~mode4动画


模态分析后,采用模态叠加法进行扫频分析(Steady-state dynamic),扫频范围为5Hz~300Hz,运用basemotion的形式在Z方向施加1G的加速度,模态阻尼为0.02。输出广义位移GU和相位GPU,图6为垂直方向振动的模态参与因子曲线,一阶扭转mode3的影响较小,一阶、二阶和三阶弯曲模态影响较大。

带缺口铝板随机振动疲劳分析的图7


图6 广义位移




03 Fe-safe 疲劳寿命预估


带缺口铝板随机振动疲劳分析的图8

带缺口铝板随机振动疲劳分析的图9

图7 导入模型



Step2 选择分析步。不要勾选模态分析中的Mode0 和扫频分析中的Frequency0,如图8所示,勾选RS和IS。

带缺口铝板随机振动疲劳分析的图10

图8 选择分析步



Step3 设置材料和分析载荷。S-N曲线如图9,采用两点确定。采用Dirlik算法,不考虑残余应力。Fe-safe会自动生成PSD Block,设置分析时间为60s。

带缺口铝板随机振动疲劳分析的图11

带缺口铝板随机振动疲劳分析的图12

图9 S-N曲线

带缺口铝板随机振动疲劳分析的图13

带缺口铝板随机振动疲劳分析的图14

图10 设置分析载荷




04   疲劳寿命预估结果

   

疲劳寿命分析结果如图11,最小寿命未在在缺口中心,位置与试验破坏位置一致。仿真寿命为3.14min,试验寿命为3.56min[1]。

带缺口铝板随机振动疲劳分析的图15

带缺口铝板随机振动疲劳分析的图16

图11 仿真与试验对比


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