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基于nCode DesignLife的车载扬声器盆架振动疲劳分析马明;朱玉田【摘要】针对某100 mm车载扬声器盆架结构的疲劳问题,采用基于功率谱密度(Power Spectrum Density,PSD)的频域分析法对其进行疲劳可靠性分析.应用ANSYS Workbench,先对扬声器单元进行有限元模态分析获得其固有频率和振型,再基于模态分析进行谐响应分析获得其频率响应函数(Frequency Response Function,FRF).将有限元分析结果导入到nCode DesignLife,施加加速度PSD载荷进行振动疲劳分析,获得盆架在x,y和z方向上各自8h的振动疲劳损伤,从而对盆架的疲劳可靠性进行评估.对照实物扬声器样品的疲劳耐久试验结果,为扬声器盆架结构设计提出一些建议.【期刊名称】《计算机辅助工程》【年(卷),期】2016(025)004【总页数】7页(P48-54)【关键词】汽车;扬声器盆架;振动疲劳;模态分析;谐响应;ANSYS Workbench 【作者】马明;朱玉田【作者单位】同济大学机械与能源工程学院,上海200092;同济大学机械与能源工程学院,上海200092【正文语种】中文【中图分类】U463.83近十几年，中国汽车工业发展迅速，家用轿车拥有量逐年增多，人们对汽车驾乘的舒适性和娱乐性提出更高的要求.车载音响系统顺应汽车工业的发展趋势，也更加完善.音响系统重要的部件之一为扬声器.传统的锥形纸盆扬声器大体由磁回路系统(永磁体、芯柱、导磁板)、振动系统(纸盆、音圈)和支撑辅助系统(定心支片、盆架、垫边)等三大部分构成.家用音响系统的扬声器主要承受静载荷，而车载音响系统的扬声器主要承受动载荷，即车辆行驶过程中因路面不平而引起的随机振动载荷.多数车载扬声器依靠盆架支撑所有零部件并安装在车身上.受扬声器自身质量、车身结构、产品成本等要素限制，盆架需要专门定制设计，故研究扬声器盆架的结构十分必要.随机振动载荷是扬声器盆架结构可靠性设计考虑的主要因素，疲劳断裂是扬声器盆架最主要的失效模式.疲劳是指材料、零件和结构在低于材料和结构强度的交变载荷作用下，在某些区域产生局部损伤并累积，直到裂纹形成和进一步扩展到最终断裂的破坏过程.疲劳发生发展的过程是与时间相关联的，而且引起疲劳的振动过程中振幅、相位和频率是随机变化的，都不是时间的确定函数，只能通过概率统计的方法来研究随机振动和振动疲劳.[1]在结构的疲劳可靠性分析方法中，主要有基于统计计数的时域分析方法和基于功率谱密度(Power Spectral Density，PSD)的频域分析方法.时域分析方法一般采用经典的“雨流循环计数”技术，从时间域应力响应曲线中获取各应力循环的幅值和均值及其概率分布.频域分析方法计算简单，不需要循环计数，可根据系统的外部激励，通过动态仿真和有限元分析，求得结构细部的应力响应功率谱密度函数，利用功率谱密度求得结构危险点位置的疲劳累积损伤和疲劳寿命.[2]本文以某款车型的100 mm中音扬声器盆架为例，运用CATIA建立扬声器单元的设计模型，运用ANSYS Workbench对设计模型先进行模态分析确定此款扬声器的固有频率和振型，再基于模态分析进行谐响应分析，用于确定结构在正弦载荷1g加速度作用下的频率响应函数(Frequency Response Function，FRF).将ANSYS Workbench分析获得的FRF结果和材料特性导入到疲劳分析软件nCode DesignLife中，输入随机振动加速度载荷谱PSD，选择振动疲劳分析模块进行疲劳损伤和疲劳寿命的预测和评估，不断优化设计模型或重新设计直到设计定型.按定型的设计模型制作产品进行疲劳耐久试验，并与计算机仿真结果进行对照验证. 1963年CRANDALL首次提出振动疲劳的概念，并将其定义为振动激励下产生的具有不可逆且累积性的结构损伤或破坏.20世纪70年代，因国内航空领域发展加速振动强度试验技术的需要，学者们也相继提出振动疲劳这一概念.此后的近40年中，振动疲劳逐渐成为国内外学者的热门研究课题，其研究结果成为振动环境工程和疲劳破坏理论的重要组成部分.随着工业的飞速发展，航空航天、交通运输等领域的很多机械结构、仪器设备长期处于振动严重的工作环境中，由此带来的振动疲劳问题越来越突出，成为振动环境工程与疲劳破坏理论的重要研究内容之一.[3] 常规结构疲劳研究以材料力学、弹塑性力学和断裂力学等为理论基础，考虑交变载荷作用，研究结构裂纹萌生发展过程和结构寿命.结构振动疲劳研究考虑疲劳与振动之间的耦合影响，努力揭示结构疲劳破坏与其动态特性之间的内在规律，寻找结构振动疲劳损伤和失效的外在原因.共振是外力与结构惯性力、弹性力和阻尼力的综合平衡现象，其中阻尼力是决定共振响应大小的重要因素.若振动激励频率与结构某些固有频率重合或接近，使结构产生共振而导致疲劳称为共振疲劳；反之，称为非共振疲劳.相同振动量级的激励力，共振时的结构动响应幅值远大于非共振时的动响应幅值.共振响应幅值主要取决于激振幅值和阻尼大小，于是大量中等量级的激振诱导共振疲劳失效.非共振疲劳响应同时受激振幅值与结构质量、刚度和阻尼的控制，对疲劳失效起主要贡献作用的是少量较大量级的激励力.[4-5]共振疲劳广泛存在于受冲击、瞬态或随机振动激励的大型结构中，而非共振疲劳是结构所受振动的激励频率远离结构共振频率，常存在于单频振动激励中或结构自身刚度较大而激振频率较低的情况.姚起杭等[6]阐明结构振动疲劳的概念和定义，并指出其特点以及其与常规结构疲劳的区别，建议将疲劳分为静态疲劳和动态疲劳2类进行研究，并重新定义振动疲劳，即振动疲劳是结构所受动态交变载荷(如振动、冲击、噪声等)的频率分布与结构固有频率分布具有交集或相接近，从而使结构产生共振所导致的疲劳破坏现象，也可直接说成是结构受到重复载荷作用激起结构共振所导致的疲劳破坏.疲劳分析通常需要具备响应分析、S-N曲线、累积损伤关系和破坏判据等基础，振动疲劳分析也遵循这些基础，响应分析一般来自有限元分析，S-N曲线来自材料属性.2.1 疲劳损伤累积法则当材料或零件承受高于疲劳极限的应力时，每一循环都使材料产生一定量的损伤，即材料性能或细微“结构”的变化.在循环载荷作用下，疲劳损伤会不断累积，当损伤累积到临界值时发生疲劳破坏，这就是疲劳损伤累积理论.线性疲劳累积损伤理论(Palmgren-Miner)认为材料在各应力下的疲劳损伤是独立的，总损伤可以线性累加起来.一般建议结构分析可采用Miner线性累积损伤求和，比较直接和简便. 若构件在k个应力水平Si作用下，各经受ni次循环，则总损伤D为式中：ni是在Si作用下的循环次数，由载荷谱给出；Ni是在Si下循环到破坏的寿命，由S-N曲线确定.2.2 破坏判据Miner线性累积损伤理论的破坏准则为式中：D为损伤值，D=1代表失效.2.3 频域分析方法在频域分析中，依据雨流循环计数法获得的应力范围概率密度函数(ProbabilityDensity Function，PDF)p(S)，一个典型的PDF见图1.[7]在给定应力水平S下，总循环次数为n(S)，失效时的总循环次数为N，则式中：C为材料常数；b为basquin指数，St为应力范围直方图中的总循环次数；dS为微应力单元.将式(3)和(4)代入式(1)，得到期望的疲劳损伤公式为2.4 分析方法的选择有很多种疲劳分析理论和方法可预测应力范围的PSD函数，所有这些分析方法都假设应力PSD产生过程是平稳随机过程高斯分布各态遍历的.这些分析方法包括窄频带，Steinberg,Dirlik,Lalanne等.窄频带方法是最早的分析方法，比较保守，适应于单一频率过程；Steinberg适合于电子行业；Dirlik技术利用Monte Carlo，适用一般目的的宽频带过程；Lalanne是一种通用宽带技术，被许多军用标准使用，是nCode DesignLife推荐的分析技术[8].本文采用Lalanne理论，基于nCode DesignLife平台进行频域疲劳分析.Lalanne理论的应用公式为式中：N(S)为在循环应力S下的每秒循环次数;E(P)为期望的峰值次数;p(S)定义[8]为式中：r为均方根应力；γ为不规则因子；S为循环应力.nCode DesignLife振动疲劳分析模块只能使用标准S-N分析引擎.本文中振动载荷类型为PSD加速度载荷，可以叠加在静态有限元载荷工况上.PSD载荷与有限元FRF合成，直接获得应力响应谱的循环计数.参照文献[9-11]，采用nCode DesignLife进行振动疲劳分析，分析流程见图2.3.1 nCode DesignLife疲劳分析要素3.1.1 模型简化与网格划分扬声器实物模型见图3.模型质量约为240 g，安装孔距为132 mm，高为58 mm.去除质量较轻、对结果影响较小的纸盆、弹波、音圈和塑料支撑环等零件后剩下4个金属件，质量约为230 g，包括0.9 mm厚由SPCC钢拉伸冲压而成的盆架、冷镦成型的08钢芯柱和导磁板，以及N38永磁体.盆架与芯柱为铆接，其余零件之间为胶接，采用ANSYS Workbench软件进行前处理，铆接和胶接都设置为Bonded，简化后的有限元模型见图4.对所关注的盆架用0.8 mm的实体单元进行全网格细化；对非关注的其他计算数据变化梯度较小的零件，进行网格为2 mm 的实体单元网格划分，该模型共有720 789个节点，455 264个单元.3.1.2 材料定义nCode DesignLife软件自带的材料库中有SAE1008_91HR材料，本文用此材料代替4个金属件的材料，其属性见图5.3.1.3 边界条件处理盆架上表面安装孔周围直径13.5 mm的区域添加fixed约束，模拟被法兰螺母压住的面积；盆架下表面安装孔周圈直径23 mm的区域添加fixed约束，模拟车身钣金支撑盆架的区域.3.1.4 FRF的获得在疲劳分析之前，用ANSYS Workbench对有限元模型进行模态分析和谐响应分析，获得用于疲劳分析的FRF.扫频按x,y和z这3个轴方向输入1g的加速度，分析项目框图见图6.采用无阻尼模态分析，前6阶模态共振频率分别为254.10，536.69，780.87，1 694.90，1 914.80和2 100.60 Hz，其振型见图7.通过分析研究谐响应的波特图，响应的最大应力都出现在模态分析得到的某一些模态频率附近.在10～1 000 Hz范围内:沿z轴的扫频，最大响应应力出现在2阶模态544.6 Hz附近；沿y轴的扫频，最大响应应力出现在2阶模态505.0 Hz附近和3阶模态802.0 Hz附近；沿x轴的扫频，最大响应应力出现在2阶模态505.0 Hz附近和3阶模态802.0 Hz附近.这进一步验证振动疲劳与共振点相关的结论.通过扫频分析得到频率响应函数的rst文件可以直接导入到nCode DesignLife中.3.2 扬声器疲劳仿真分析依据ISO 16750-3—2012,载荷功率谱输入见表1和图8，RMS加速度为27.8m/s2.疲劳耐久试验要求：以x，y和z每轴振动8 h，结构应该能正常工作，不出现肉眼可见的外观损伤.选用Lalanne分析方法，输入耐久时间8 h，即28 800 s，PSD加载方法完成振动疲劳分析的属性设置，见图9.z轴振动疲劳分析流程和损伤云图见图10和11.由损伤云图得到x，y和z轴各自8 h振动疲劳损伤汇总，见表2.x，y和z轴方向的各自8 h振动疲劳损伤累积为0.027 696<1，扬声器盆架结构安全可靠.3.3 随机振动疲劳试验以振动台为基础激励进行该扬声器样品的随机振动疲劳耐久试验.测试条件为：加速度PSD见图12；振动时间8 h；振动方向为x，y和z轴这3个方向；测试样品数量为3个.测试结束，未发现样品出现变形或破损现象，样品扬声器声学性能正常.从损伤云图来看，疲劳损伤容易发生在2个固定安装脚附近，损伤最严重的区域靠近没有加强筋特征的那只安装脚，远离安装脚质量比较集中的磁铁附近损伤最小. 结构共振是在动态外载荷作用下，外力与结构惯性力、弹性力和阻尼力的综合平衡现象，其特点是结构中发生模态惯性力和阻尼力.防止振动疲劳的着眼点主要是降低结构振动水平，特别是局部振动水平.依据模态振型的趋势，对局部结构增加阻尼或施加其他控制技术影响结构模态的分布特征.对于盆架钣金结构，需要避免纯平面特征，应该增加类似加强筋、凸台、翻边、凹槽等增加结构刚度和振动阻尼的特征，同时注意消除材料缺陷和降低应力集中等问题.(1)该扬声器盆架的结构设计满足振动疲劳寿命目标要求，顺利通过实际疲劳耐久测试.疲劳仿真结果能预测产生的疲劳损伤和危险断裂位置，给出产品改进和优化的方向.(2)将ANSYS Workbench与nCode DesignLife相结合，可缩短产品的设计开发周期，快速响应结构优化对疲劳寿命的影响.朱玉田(1967—)，男，上海人，教授，博导，研究方向为机电液控制和工程机械设计，(E-mail)********************.cn【相关文献】[1] 曹明红, 葛森, 齐丕骞. 随机振动疲劳频域分析方法的对比研究[J]. 振动工程学报, 2008, 21(S1): 14-18.CAO M H, GE S, QI P Q. 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ICEflow汽车疲劳耐久性工程解决方案作者：英国nCode国际有限公司林晓斌近年来，随着CAD/CAE技术突飞猛进，靠实验室台架试验或试车场路试来评价或改进汽车耐久性的方法成本高、周期长，已经逐步被虚拟耐久性设计理念取代。
随着汽车行业内的竞争不断加剧，汽车制造商无不面临着如下情况：满足用户日益提高的安全性及可靠性要求的同时做到节省成本。
其中，汽车的疲劳耐久性设计就是必须面对的重要课题之一。
疲劳耐久性工程长期以来，汽车的耐久性主要靠实验室台架试验或试车场路试来评价或改进，这种设计思路成本高、周期长。
近一二十年来，CAD/CAE技术突飞猛进，虚拟耐久性设计理念已经在一些著名的汽车公司得到了广泛应用。
一个完整的疲劳耐久性解决方案通常包括如下步骤（如图1）：根据用户用途建立寿命设计目标；采集用户使用环境和试车场载荷数据；验证分析处理实测数据；创建零构件几何模型；求取零构件间所传递的载荷；获取材料的疲劳寿命性能；预估零构件的疲劳寿命；台架模拟试验；试车场耐久性试验。
图1 疲劳耐久性解决方案流程ICE-flow的功能作为著名的疲劳耐久性技术服务公司之一的英国恩科（nCode）国际有限公司开发了一整套用于汽车耐久性设计、分析、试验及管理的硬件和软件工具——ICE-flow系列产品。
包括：数据采集器SomateDAQ、数据分析处理及实验疲劳软件GlyphWorks、CAE疲劳分析软件DesignLife和耐久性数据管理软件系统Library。
ICE-flow集工程数据采集分析处理、疲劳寿命分析模拟、实验室台架加速和远程数据传递及管理于一身，是进行一体化抗疲劳设计必备的一个分析工具，也是进行异地协同设计的有效工具。
ICE-flow系列产品如图2所示，以下对各功能分别进行介绍。
图2 ICE-flow系列产品1、数据采集道路载荷谱采集是疲劳耐久性设计的基础，我们需要调查用户的使用环境和用途，需要实测数据在实验室台架上做道路模拟试验，也需要为多体动力学分析、有限元分析以及疲劳寿命分析提供输入数据。
疲劳载荷处理软件（LMS TecWare）技术指标✓系统要求-操作系统：WindowsNT/2000， HP UX， SGI， Sun 工作站✓任务管理和载荷时间历程管理（TecWare Kernel 模块）-同时读入不同格式的多个文件中的任意多个时间历程，单个或多个同时显示、编辑-时域信号编辑功能：同时对多个通道进行积分、微分、时间段剪切/粘贴、偏移/零点漂移初步矫正、数据平滑、函数生成时间历程信号、自动选择时间段…-可轻松地将时域信号在几种格式之间相互转换-袖珍计算器和逻辑操作功能，根据数学函数生成时间历程-桌面管理器用来管理所有数据对象并监控分析任务-结果自动添加到当前桌面管理器中-完全可自定义的用户界面（如菜单、按扭等）✓疲劳计数（TecWare FatiCount 模块）-Rainflow（雨流），Range pair（程对）、level crossing（穿级）, symmetrical level crossing（对称穿级）, Peak Count（峰值计数）III …-一次批作业设置可以处理多个时间历程和通道-交互式设置处理参数-预定义的通用参数（滤波带宽、分级数、结果储存方案等）✓基于雨流矩阵的基本编辑和处理、重构为时间历程（TecWare RainEdit 模块）-编辑雨流矩阵和雨流计数留数：改变分级大小和个数，对行/列/点/对角线进行计数值的修改/删除-基于雨流矩阵的时间历程重构，进行加速模拟试验✓基本的疲劳寿命估计(Falancs Strain & Stress 模块)-根据应变时间历程和材料特性计算该点的疲劳寿命，可以是应变片测得的时间历程-根据载荷时间历程、应力集中系数和材料特性计算该点的疲劳寿命-应力法和应变法多种损伤准则、均值校正-可更改材料特性并存为新材料✓基于雨流矩阵的载荷组合和外推（TecWare RainExtra模块）-雨流矩阵的组合、叠加、差别比较等-由短的时间历程生成雨流，外推到更长的使用工况-扩展为更苛刻的载荷数据（更粗暴的驾驶员、更恶劣的试验路段等）✓耐久性试验信号处理(TecWare durability signal processing 模块)-提供处理时域信号常用的谱分析和附带交互式滤波器设计工具的频率滤波功能-快速富氏变换（FFT）和逆变换，功率谱密度函数、频率响应函数、相干函数-交互式滤波器设计工具：低通、高通、带通和组合式✓高级耐久性试验信号处理(TecWare Advanced durability signal processing 模块)-检测信号异常、显示时域信号趋势。
目录疲劳分析软件单项论证报告——MSC Fatigue (2)1 必要性论证 (2)1.1.现状 (2)1.2.存在问题： (2)1.3.发展趋势 (3)2 项目（设备）名称： (3)2.1技术规格性能 (3)2.2设备调研及选型情况 (5)2.3先进性和特色 (7)3 设备厂商描述 (9)3.1设备厂商介绍： (9)3.2行业客户 (10)4 项目配套方案的配套条件： (11)5 项目投资估算及进度安排 (12)6 附件：MSC.Software公司简介 (12)疲劳分析软件单项论证报告——MSC Fatigue序号：设备表中编号：设备名称：MSC Fatigue\MSC Patran设备型号：国别、厂商：美国\MSC软件公司1必要性论证电子行业是一个飞速发展的行业，市场容量极其巨大，如今我国已是全球第三大电子信息产品制造国，电子信息产品已经渗透到我们生活的各个角落，包括国防军工用品、通信、医疗、计算机及周边视听产品、玩具等。
电子行业具有产品更新快，研发周期短的特点，为了满足不断发展的市场需求，必须加快产品结构的升级，在核心技术领域取得重大突破。
MSC.Software公司认为新的研究方法和技术突破在现代产品研发中扮演非常关键的作用，目前CAE仿真已经成为电子行业广泛采用的一种新的方法和技术，一定能够发挥重要作用。
1.1. 现状随着电子技术的逐渐成熟，越来越多的电子元器件或相关产品投入市场，为降低制作成本、缩短研制周期、提高产品可靠性，迫切需要引入有效的设计方法。
另一方面伴随着电子产品加工工艺的标准化，使得电子产品设计在一定程度上可与具体工艺相分离，从而大大地促进了产品建模与仿真技术的迅速发展，与以前相比电子产品CAD技术更具实际应用价值。
目前在电子产品研发中，计算机辅助工具的发展水平远远滞后于前沿研究的步伐，大多数电子元器件都由与其功能差不多但不能准确预测其执行情况的分析工具来设计。
因此，通常采用试验排错的方法进行，这往往需要反复多次的试验才能最终确定满足特定环境的器件设备。
