电池组随机振动疲劳分析

电池组随机振动疲劳分析
本例展示基于功率谱密度曲线（PSD）的电池组疲劳分析，即针对随机振动的疲劳寿命分析。

1 问题设定
一块电池组，尺寸为70mm x 175mm x 400mm。

该电池组的两端共有6个端点，分别受到垂直于电池组平面的激励作用，且激励的加速度功率谱密度曲线（ASD）相同。

由于在随机振动基于线性动力学原理，因此电池，PC材料等采用实体建模，其他钣金采用壳单元建模，设定相关的fastener点焊单元，coupling耦合单元和tie约束，建立零件和零件之间相应的连接关系。

两端所对应的PSD谱线如下图。

请注意该曲线的频率截断在200Hz处。

本案例用到的附件包括：
battery_SSD.cae 提取前10阶固有模态和扫频分析
plate.psd PSD曲线
2 分析过程
一般来说，针对随机振动的疲劳分析包含两大步。

第一步是在Abaqus中完成固有模态和扫频两个计算；第二步是把这两个计算结果与PSD曲线一起输入fe-safe，运行若干设置后完成疲劳分析，得到相关结果。

2.1 有限元计算
需要强调的是，在有限元计算部分，不采用随机振动分析方法，而是采用模态提取和扫频方法。

2.1.1 固有模态分析
附件中的battery_SSD.cae第一个step分析步是用于提取固有模态的Abaqus计算文件。

其中的关键设置如下：
a) 两端固定
b) 提取1~200HZ内的固有模态
c) 指定位移U和应力S作为场输出变量
2.1.2 扫频分析
第二个step分析步是用于扫频分析的Abaqus计算文件。

由于PSD曲线上的最高频率是200Hz，故而扫频分析的最大频率也截断在200Hz。

同时，设定各阶频率对应的阻尼均为2%。

定义单位加速度的base motion激励载荷，用于扫频分析：
在输出设定上，对两个扫频分析Step，设定对广义位移GU和GPU的历程输出。

2.2 疲劳计算
由前述的固有模态分析和扫频分析，计算得到结果文件：battery_shockZ_fastener.odb。

2.2.1 启动fe-safe
点击开始菜单或桌面图标，启动fe-safe，启动窗口如下图。

设置好工作目录后，点击“OK”，打开软件主界面。

2.2.2 清空遗留数据
选择菜单：Tools -> Clear Data and Settings…，勾中“Select all”和“Re-set user settings”，然后点击“OK”，将界面上遗留的前次分析信息清空。

2.2.3 打开有限元分析结果
选择菜单File -> Open Finite Element Model For PSD Analysis…，打开下图所示的对话框。

其中的“Source FE model”，浏览选取前面准备好odb文件：battery_shockZ_fastener.odb。

对“Files that provide Modal Participation Factor (MPF) data”，缺省自动选取battery_shockZ_fastener.odb。

对“Files that provide Power Spectral Density (PSD) data”，浏览选取前面准备好的plate.psd；“Complex number notation”选中“Polar (degrees)”。

这是因为Abaqus给出的复数结果默认是极坐标格式。

点击“OK”，如果遇到下图所示的“Pre-Scan File”提示对话框，则点击“OK”。

进入“Select Datasets”对话框，在“Quick select”区域下，只勾选“Stresses”和“Others”，然后点击“Apply to Dataset List”，再把Increment 0所对应的地方去除勾选。

其它部分的设置如图中所示。

点击“OK”，打开单位设置对话框，参考下图的设置。

点击“OK”，如果遇到下述“Edit Group List”提示对话框，则点击“OK”，
打开“Edit Groups”对话框，点击中间带箭头的按钮，将右侧Analysis Groups清空，得到下图所示的结果。

点击“OK”后，如果遇到下述警告对话框，则点击“OK”将其关闭。

该警告是关于PSD谱的代表的时间，我们将在后面设置。

模型导入后，界面上的“Current FE Models”中显示了导入的数据和单元编组。

2.2.4 载荷谱定义
在完成上述过程后，fe-safe将自动建立一个loading定义，将plate.psd中的两条psd谱线与两个扫频计算分别对应起来。

在软件窗口左侧的“Fatigue from FEA”板块的“Loading Settings”选项卡上，将“PSD Block”下的“Length per repeat in seconds”设为1，表示这段PSD谱代表的是1s内的振动。

定义完成后如下图所示。

2.2.5 选择材料和算法
在材料窗口里选中SAE-950C-Manten，如下图：
然后在“Fatigue from FEA”板块上切换到“Analysis Settings”选项卡上。

如果遇到下述对话框，询问是否确认对Loading的更改，则选“Yes”，关掉该对话框。

回到“Analysis Settings”选项卡上，在“Default”一行的“Material”格中双击，该格由原来的“Undefined”变为“SAE-950C-Manten”，如下图。

“Algorithm”格中应当已经自动设为“Dirlik”。

如果不是，则双击该格，打开“PSD Group Algorithm Selection”对话框，选中“Dirlik”，再点击“OK”关掉对话框。

2.2.6 计算设定
选择菜单FEA Fatigue -> Analysis Options…，在“PSD”选项卡上，确认设置如下图：
2.2.7 执行计算
点击“Fatigue from FEA”板块下方的“Analyse”按钮，打开如下图所示的对话框，这是对计算设定的一个摘要，点击“Continue”将启动求解器。

计算完成后，将打开如下摘要对话框：
2.2.8 查看结果
打开项目目录下的文件夹：例如下面图中所示，其中有.log和.odb两个结果文件。

打开.log文件，可以看到其中对寿命计算结果的摘要，如下图所示。

用Abaqus打开.odb文件，以云图形式显示寿命（Life），并在结果树的“Spectrum”下双击“Reversed Rainbow”，得到下图所示的云图。

默认设定下，图中所示的值为寿命的对数值（以10为底）。