電源固定板的振動(dòng)疲勞分析及試驗(yàn)研究

王 志，豐霞瑤，李志強(qiáng)

（中節(jié)能晶和科技有限公司，江西南昌 330029）

0 引言

近年來，各行各業(yè)越來越注重產(chǎn)品的疲勞強(qiáng)度問題。疲勞失效分析涉及多項(xiàng)領(lǐng)域，如汽車、航天航空、航海、能源、國防、鐵路、海洋工程及一般的機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域。引起疲勞失效的原因主要是結(jié)構(gòu)承受擾動(dòng)載荷，在經(jīng)歷足夠多的循環(huán)作用后產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展最終導(dǎo)致機(jī)體結(jié)構(gòu)破壞。振動(dòng)就是一種典型的擾動(dòng)載荷形式。為此，人們針對(duì)產(chǎn)品使用工況進(jìn)行一系列的振動(dòng)試驗(yàn)，檢測(cè)產(chǎn)品是否發(fā)生疲勞失效。

姚起杭等[1]闡明了結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞問題的概念和定義，用兩者的不同特點(diǎn)區(qū)分了其與常規(guī)結(jié)構(gòu)疲勞，把疲勞規(guī)整為結(jié)構(gòu)靜疲勞和動(dòng)疲勞。馬一江等[2]基于Paris公式和傳遞矩陣以無質(zhì)量彎曲彈簧等效裂紋，提出一種可求解含多條裂紋梁疲勞壽命的預(yù)估方法。結(jié)果表明，裂紋數(shù)量、裂紋位置和深度對(duì)梁的模態(tài)參數(shù)和疲勞壽命有重要影響。潘利科等[3]以整體吊弦為研究對(duì)象，對(duì)比國內(nèi)外檢驗(yàn)方法提出了一種新的模擬其服役過程的等效振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法，并根據(jù)此方法設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)的整體吊弦振動(dòng)疲勞試驗(yàn)設(shè)備。

在城市照明的燈具行業(yè)，由于燈具應(yīng)用場(chǎng)所廣泛，如道路、橋梁、天橋和隧道等，這些工作環(huán)境不可避免地存在振動(dòng)，有可能引起燈具共振而產(chǎn)生疲勞破壞。因此，本文針對(duì)本公司的一款隧道燈，采用有限元仿真技術(shù)借助HyperWorks平臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)疲勞仿真，并用振動(dòng)試驗(yàn)加以驗(yàn)證，為日后公司利用仿真指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供支撐。

1 疲勞分析方法

目前，疲勞壽命預(yù)測(cè)具有三種經(jīng)典方法，分別是S-N（總壽命法）、E-N（裂紋起始?jí)勖ǎ┖蚅EFM（裂紋擴(kuò)展壽命法）。這幾種方法都依賴于相似性，第一種是名義應(yīng)力或彈性應(yīng)力和總壽命之間的關(guān)系，第二種是局部應(yīng)變和裂紋起始?jí)勖g的關(guān)系，第三種是應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋擴(kuò)展速率之間的關(guān)系。

本文利用S-N名義應(yīng)力法進(jìn)行分析，結(jié)合Miner線性損傷累計(jì)得到受到不同應(yīng)力、應(yīng)變幅值的總損傷和總壽命。HyperWorks中的OptiStruct求解器能專業(yè)地進(jìn)行5～30Hz區(qū)間的掃頻振動(dòng)疲勞計(jì)算。

在分析過程中，有限元軟件需要用戶定義模型中不同零件相對(duì)應(yīng)的材料和掃頻振動(dòng)特性參數(shù)等。LCF和HCF分別表示低周疲勞和高周疲勞，F(xiàn)atigue Limit為疲勞極限。

在OptiStruct求解器中，對(duì)于鋼材材料默認(rèn)定義式為：

式中：UTS—材料極限抗拉強(qiáng)度。

Miner線性損傷累計(jì)依次計(jì)算某應(yīng)力幅值下單次循環(huán)損傷的表達(dá)式：

n次循環(huán)損傷：

不同應(yīng)力、應(yīng)變幅值總損傷：

由此得到總壽命：

2 有限元分析

將隧道燈3D模型導(dǎo)入到HyperMesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)204496個(gè)。

本文主要通過分析電源固定板的振動(dòng)疲勞情況來反映有限元分析的有效性，并指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在1mm厚的電源固定板出現(xiàn)疲勞破壞后將其厚度優(yōu)化至1.5mm，以下將優(yōu)化前后的有限元分析情況進(jìn)行統(tǒng)一介紹。電源固定板的網(wǎng)格數(shù)均為176個(gè)，單元類型為PSHELL。除燈殼材料為ADC12，單元類型為PSOLID外，其它零件材質(zhì)為SPCC，單元類型為PSHELL，阻尼取經(jīng)驗(yàn)值0.04。

2.1 靜力分析

在隧道燈網(wǎng)格模型上各零件間建立相應(yīng)連接關(guān)系，然后對(duì)其U型支架固定點(diǎn)施加全約束，考慮自身重力進(jìn)行靜力分析。

結(jié)果表明電源固定板在固定位置附近所受應(yīng)力最大。也就是說固定位置附近是該零件的危險(xiǎn)部位，經(jīng)過載荷循環(huán)加載有可能發(fā)生疲勞斷裂。

2.2 頻響分析

隧道燈在振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)臺(tái)通過程序控制端對(duì)其施加沿z方向3g正弦掃頻振動(dòng)，掃頻區(qū)間為5～30Hz。由于低頻段加載時(shí)位移會(huì)放大，為了避免試驗(yàn)時(shí)結(jié)構(gòu)破壞，在5～19.2Hz低頻段進(jìn)行4mm位移控制。

在U型支架固定點(diǎn)設(shè)置單位加速度載荷，完成在OptiStruct求解器中對(duì)動(dòng)態(tài)載荷RLOAD2的定義：

式中：A—單位加速度；B（f）—激振對(duì)數(shù)型目標(biāo)譜。因無時(shí)間延遲，默認(rèn)φ（f）+θ-2πfτ=0。根據(jù)分析計(jì)算需求，可以綜合使用頻率設(shè)置FREQi卡片來有效捕捉載荷拐點(diǎn)或者共振峰值。

結(jié)果表明，電源固定板在激振頻率為9.57Hz時(shí)達(dá)到共振點(diǎn)，1mm電源固定板所受應(yīng)力最大，應(yīng)力值為157.7MPa，小于材料的屈服極限；此時(shí)1.5mm電源固定板所受最大應(yīng)力為45.2MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限。

2.3 疲勞分析

依據(jù)疲勞產(chǎn)生機(jī)理，雖然共振狀態(tài)下的名義應(yīng)力值并未超過材料的屈服強(qiáng)度，在本模型的掃頻振動(dòng)循環(huán)作用下，循環(huán)次數(shù)為110次。電源固定板依然可能由于載荷的反復(fù)變化引起疲勞損傷繼而產(chǎn)生斷裂失效。

在OptiStruct求解器中設(shè)置疲勞分析流程管理器，創(chuàng)建疲勞工況，選擇SN掃頻疲勞選項(xiàng)，定義疲勞分析參數(shù)。然后定義疲勞單元和材料，利用材料的抗拉極限生成SN曲線。接著導(dǎo)入頻響分析結(jié)果，定義好各流程參數(shù)后提交疲勞作業(yè)。

將運(yùn)行后的結(jié)果用HyperView查看，損傷結(jié)果見圖1。圖中1mm電源固定板除藍(lán)色區(qū)域可能產(chǎn)生疲勞斷裂；1.5mm電源固定板則無疲勞損傷。

圖1 電源固定板損傷情況

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

隧道燈固定在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行3g加速度振動(dòng)。振動(dòng)試驗(yàn)完成后，1mm電源固定板發(fā)生斷裂。排除螺絲簡(jiǎn)化為1D單元影響，斷裂部位與仿真結(jié)果較為相符。而優(yōu)化設(shè)計(jì)加厚至1.5mm的電源固定板無損傷，表明通過有限元分析可以有效改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)判。

4 結(jié)論

本文通過HyperMesh建立了隧道燈有限元模型，利用OptiStruct求解器分析了電源固定板的振動(dòng)疲勞特性。

（1）1mm厚的電源固定板發(fā)生疲勞斷裂，與振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果相符。1.5mm厚的電源固定板無疲勞損傷，振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果亦如此，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真分析的有效性。

（2）有限元振動(dòng)疲勞仿真分析能減少打樣驗(yàn)證次數(shù)，節(jié)約成本，縮短開發(fā)周期，對(duì)振動(dòng)疲勞類零件的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。