显卡随机振动疲劳仿真：精准计算与预测

电子产品在使用过程中，难免会受到各种形式的振动冲击，这类激励通常具有随机性和不确定性，迫使产品局部承受较大交变应力进而引起振动疲劳失效。本文将以显卡模型为例，阐述如何使用ANSYS Mechanical联合ANSYS nCode DesignLife进行随机振动疲劳仿真。

案例背景描述

计算几何为简化的显卡模型，见下图。PCB板、金属支架材料为结构钢，其余构件简化为铝合金。金属支架左侧3端面固定支撑，随机振动载荷类型为G加速度谱，方向为Y向，具体数值见图，计算该工况下的疲劳寿命。

图 1模型

图2 G加速度谱

1、仿真流程搭建

为提升计算效率，本例采用MSUP谐响应分析联合nCode进行随机振动疲劳仿真。具体模块搭建如下：

图 3仿真流程

注：使用该方法进行随机振动疲劳计算时，需先将nCode模块拖拽至“modal”模块处，然后再将“Harmonic Response”的solution与“nCode”的solution相连，完成流程搭建。

若直接将“Harmonic Response”与“nCode”相连，在后续提交计算时，软件会提示没有材料数据，无法进行求解计算。

2、仿真关键步骤

1) 模态计算

模态计算的结果-固有频率为结构的固有属性，所以在仿真中只需设置结构的约束条件和提取的阶数即可。

从工程经验的角度，一般建议模态提取的最高频至少为最高激励频率的1.5倍。在本例中，根据软件默认的6阶固有频率计算所得的最高频率为810.16Hz>750Hz（1.5*500），所以可以不增加计算阶数，否则应适当增加直至满足该要求。

图 4固定支撑设置

图 5模态计算结果

2)  MSUP谐响应计算

由于在模态分析中已经施加了固定支撑，所以在谐响应分析中不再设置。只需施加激励即可。因为PSD谱为G加速度谱，所以在谐响应分析中施加加速度激励，大小为9.8m/s^2，详见下图。

图 6加速度设置

扫频范围参考PSD谱，将“Range Maximum”设置为500Hz。为准确捕捉共振响应，打开“ClusterReslut”选项。为避免共振响应失真，施加数值为0.01的阻尼比。

图 7分析设置

3) 随机振动疲劳计算

PSD谱输入

双击“nCode SN VibrationPSD（DesignLife）”模块中的solution进入nCode环境。右键点击“VibrationGenerator”-properties，在弹出窗口输入PSD谱。

图 8 PSD谱设置

Advanced Edit

右键点击“Vibration_Analysis”-Advanced Edit进入设置界面。在“Advanced Edit”中主要设置三个选项，分别为SN方法、组合方法、平均应力修正。其中“SN方法”的设置选项必须与疲劳寿命曲线的类型一致，比如用户选定的材料疲劳寿命曲线是其在不同应力比下的数据，则在“SN方法”选项需设定为“MultiRRatioCurve”

若两者不对应，提交计算会报错。对于随机振动疲劳而言，“组合方法”仅支持“CriticalPlane”，“AbsMaxPrincipal”，“SignedVonMises”。

“平均应力修正”常用选项为“Goodman”和“Gerber”，其中“Goodman”计算结果相对保守。

图9Advanced Edit设置

循环计数方法设置

nCode提供多种循环计数的方法，其中“Steinberg法”在电子行业应用较多。

右键点击“Vibration_Analysis”-properties-VibrationLoad_PSDCycleCountMethod-“Steinberg”。

图 10循环计数方法设置

疲劳寿命结果

从下方云图可以看出，该显卡的最低寿命为8.111e7s。

图 11寿命分布云图

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