ANSYS 高清晰 精品资料：第15章 随机振动和随机疲劳分析实例

及实例第一节引言零件或构件由于交变载荷的反复作用，在它所承受的交变应力尚未达到静强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并扩展、最后突然断裂。

这种现象称为疲劳破坏。

疲劳裂纹的形成和扩展具有很大的隐蔽性而在疲劳断裂时又具有瞬发性，因此疲劳破坏往往会造成极大的经济损失和灾难性后果。

金属的疲劳破坏形式和机理不同与静载破坏，所以零件疲劳强度的设计计算不能为经典的静强度设计计算所替代，属于动强度设计。

随着机车车辆向高速、大功率和轻量化方向的迅速发展，其疲劳强度及其可靠性的要求也越来越高。

近几年随着我国铁路的不断提速，机车、车辆和道轨等铁路设施的疲劳断裂事故不断发生，越来越引起人们的重视。

疲劳强度设计及其研究正在成为我国高速机车车辆设计制造中的一项不可缺少的和重要的工作。

金属疲劳的研究已有近150年的历史，有相当多的学者和工程技术人员进行了大量的研究，得到了许多关于金属疲劳损伤和断裂的理论及有关经验技术。

但是由于疲劳破坏的影响因素多而复杂并且这些因素互相影响又与构件的实际情况密切相关，使得其应用性成果尚远远不能满足工程设计和生产应用的需要。

据统计，至今有约90%的机械零部件的断裂破坏仍然是由直接于疲劳或者间接疲劳而引起的。

因此，在21世纪的今天，尤其是在高速和大功率化的新产品的开发制造中，其疲劳强度或疲劳寿命的设计十分重要，并且往往需要同时进行相应的试验研究和试验验证。

疲劳断裂是因为在零件或构件表层上的高应力或强度比较低弱的部位区域产生疲劳裂纹，并进一步扩展而造成的。

这些危险部位小到几个毫米甚至几十个微米的范围，零件或构件的几何缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕伤痕及材料的内部缺陷等往往是这种危险部位。

因此，提高构件疲劳强度的基本途径主要有两种。

一种是机械设计的方法，主要有优化或改善缺口形状，改进加工工艺工程和质量等手段将危险点的峰值应力降下来；另一种是材料冶金的方法，即用热处理手段将危险点局部区域的疲劳强度提高，或者是提高冶金质量来减少金属基体中的非金属夹杂等材料缺陷等局部薄弱区域。

ANSYS 动力分析(18) - 随机振动分析- 实例(1)2010-09-26 07:41:23| 分类：ANSYS 动力分析| 标签：随机振动实例模型飞机机翼psd|举报|字号订阅PSD 实例：模型飞机机翼的随机振动说明：确定由于施加在机翼根部的Y 向加速度PSD，在模型飞机机翼中造成的位移和应力。

假设机翼在Z=0 处固支。

操作指南1. 清除数据库并读入文件wing. inp 以创建几何模型和网格。

2. 定义材料属性：弹性模量= 38000 psi 泊松比= 0.3密度= 1.033E-3/12 lbf-sec2/in4 = 8.6083E-53. 施加边界条件。

提示：选择在areas 上施加位移约束，拾取Z=0 处所有的Areas，约束所有自由度。

4. 定义新分析为Model，使用Block Lanczos 方法，抽取和扩展前15 个自然模态。

然后求解Current LS。

5. 查看模态形状，如图为前 4 阶振型。

6. 使用所显示的 PSD 谱，执行 PSD Spectrum 分析。

首先定义分析类型为 Spectrum分析类型为 PSD，使用全部模态，计算单元应力：注意激活“Calculate elem stresses”选项。

7. 在基础上施加指定的 PSD 谱 (注意：确保 PSD 的单位是 G2/Hz)。

施加 Y 向激励 (方法是：在基础节点上施加单位 Y 向位移)。

设置常阻尼比 0.02：设置有关参数–重力加速度值注意：响应谱类型选择 Accel (g**2/Hz)，否则后面的 PSD 谱应该输入实际加速度值：定义 PSD 谱表格：绘制 PSD 谱表格曲线以检查输入值：激活和设置模态组合参数：选择所有模态。

设置计算内容：计算各模态的参与因子:在输出窗口中可以看到参与因子的计算结果：求解：10. 在一般后处理中，查看相对位移和应力 (载荷步 3)。

首先查看 Results Summary：载荷步 3 为 set 17查看载荷步 3 的相对位移和应力：在 Read Results 中读取载荷步 3 的结果：使用 By set Number，输入 Data Set Number 为 17。

利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析ANSYS是一款常用的工程仿真软件，具有强大的分析功能。

在进行随机疲劳分析时，可以利用ANSYS的随机振动分析功能来模拟随机加载下的疲劳损伤。

随机疲劳分析是一种考虑工作载荷随机性对结构疲劳寿命影响的方法。

通过采用随机振动分析，可以考虑到工作载荷的随机特性，进一步分析结构的疲劳损伤。

ANSYS中的随机振动分析功能可以通过以下步骤来进行：1.几何建模：首先，需要进行结构的几何建模。

使用ANSYS的几何建模工具可以创建出要进行疲劳分析的结构。

2.材料属性定义：在进行材料属性的定义时，需要确定材料的弹性模量、泊松比、密度和疲劳参数等。

可以根据材料的材料数据手册来获取这些参数。

3.边界条件设置：在进行随机振动分析时，需要设置结构的边界条件。

这些边界条件可以是结构受到的随机外载荷或者是结构与其他部件的接触情况。

4.加载设置：在进行随机振动分析时，需要设置结构受到的随机载荷。

这些载荷可以是来自于实际工况的随机载荷，也可以通过振动台试验数据等手段获取。

5.随机振动分析：利用ANSYS的随机振动分析功能，可以进行频域分析或时域分析。

频域分析可以用于计算结构的响应功率谱密度，时域分析可以用于计算结构的随机响应。

6.疲劳寿命计算：在获得结构的随机响应后，可以进行疲劳寿命计算。

根据结构的随机响应和材料的疲劳性能参数，可以使用ANSYS的疲劳分析功能来计算结构的疲劳寿命。

通过以上步骤，可以利用ANSYS的随机振动分析功能实现随机疲劳分析。

这种方法能够更全面地考虑结构在实际工作环境下的疲劳寿命，为结构的设计和改进提供准确的参考。

需要注意的是，在进行随机疲劳分析时，需要对随机载荷进行合理的统计分析，获取载荷的概率密度函数。

如果没有足够的载荷数据，也可以使用统计模型进行估计。

此外，还需要对材料的疲劳性能参数进行准确的测定，以保证疲劳寿命计算的准确性。

总之，利用ANSYS的随机振动分析功能进行随机疲劳分析是一种有效的方法，可以更准确地评估结构在随机工作载荷下的疲劳性能，为结构的设计和改进提供有力的支持。

利用 ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析ANSYS 随机振动分析功能可以获得结构随机振动响应过程的各种统计参数（如：均值、均方根和平均频率等），根据各种随机疲劳寿命预测理论就可以成功地预测结构的随机疲劳寿命。

本文介绍了ANSYS随机振动分析功能，以及利用该功能，按照Steinberg 提出的基于高斯分布和Miner 线性累计损伤定律的三区间法进行 ANSYS随机疲劳计算的具体过程。

１．随机疲劳现象普遍存在在工程应用中，汽车、飞行器、船舶以及其它各种机械或零部件，大多是在随机载荷作用下工作，当它们承受的应力水平较高，工作达到一定时间后，经常会突然发生随机疲劳破坏，往往造成灾难性的后果。

因此，预测结构或零部件的随机疲劳寿命是非常有必要的。

2．ANSYS随机振动分析功能介绍ANSYS随机振动分析功能十分强大，主要表现在以下方面：1.具有位移、速度、加速度、力和压力等 PSD类型；2.能够考虑 a 阻尼、阻尼、恒定阻尼比和频率相关阻尼比；3.能够定义基础和节点 PSD激励；4.能够考虑多个 PSD激励之间的相关程度：共谱值、二次谱值、空间关系和波传播关系等；5.能够得到位移、应力、应变和力的三种结果数据： 1 位移解， 1 速度解和 1 加速度解；3．利用 ANSYS随机振动分析功能进行疲劳分析的一般原理在工程界，疲劳计算广泛采用名义应力法，即以S-N 曲线为依据进行寿命估算的方法，可以直接得到总寿命。

下面围绕该方法举例说明 ANSYS随机疲劳分析的一般原理。

当应力历程是随机过程时，疲劳计算相对比较复杂。

但已经有许多种分析方法，这里仅介绍一种比较简单的方法，即Steinberg 提出的基于高斯分布和 Miner 线性累计损伤定律的三区间法（应力区间如图 1 所示）：应力区间发生的时间68.3% 的时-1~+1间27.1% 的时-2~+2间4.33% 的时-3~+3间99.73%大于 3的应力仅仅发生在0.27%的时间内，假定其不造成任何损伤。

ANSYS 动力分析(18) - 随机振动分析- 实例(1)2010-09-26 07:41:23| 分类：ANSYS 动力分析| 标签：随机振动实例模型飞机机翼psd|举报|字号订阅PSD 实例：模型飞机机翼的随机振动说明：确定由于施加在机翼根部的Y 向加速度PSD，在模型飞机机翼中造成的位移和应力。

假设机翼在Z=0 处固支。

操作指南1. 清除数据库并读入文件wing. inp 以创建几何模型和网格。

2. 定义材料属性：弹性模量= 38000 psi 泊松比= 0.3密度= 1.033E-3/12 lbf-sec2/in4 = 8.6083E-53. 施加边界条件。

提示：选择在areas 上施加位移约束，拾取Z=0 处所有的Areas，约束所有自由度。

4. 定义新分析为Model，使用Block Lanczos 方法，抽取和扩展前15 个自然模态。

然后求解Current LS。

5. 查看模态形状，如图为前 4 阶振型。

6. 使用所显示的 PSD 谱，执行 PSD Spectrum 分析。

首先定义分析类型为 Spectrum分析类型为 PSD，使用全部模态，计算单元应力：注意激活“Calculate elem stresses”选项。

7. 在基础上施加指定的 PSD 谱 (注意：确保 PSD 的单位是 G2/Hz)。

施加 Y 向激励 (方法是：在基础节点上施加单位 Y 向位移)。

设置常阻尼比 0.02：设置有关参数–重力加速度值注意：响应谱类型选择 Accel (g**2/Hz)，否则后面的 PSD 谱应该输入实际加速度值：定义 PSD 谱表格：绘制 PSD 谱表格曲线以检查输入值：激活和设置模态组合参数：选择所有模态。

设置计算内容：计算各模态的参与因子:在输出窗口中可以看到参与因子的计算结果：求解：10. 在一般后处理中，查看相对位移和应力 (载荷步 3)。

首先查看 Results Summary：载荷步 3 为 set 17查看载荷步 3 的相对位移和应力：在 Read Results 中读取载荷步 3 的结果：使用 By set Number，输入 Data Set Number 为 17。