基于激励谱的随机振动疲劳的分析方法研究

文新海+邱星

【摘 要】本文阐述了结构随机振动疲劳寿命的基本原理，及基于激励谱的振动疲劳寿命分析的方法和流程。基于某车型尿素箱支架振动疲劳失效，采集了振动加速度并通过FFT转换得到了振动功率谱密度，应用于动态频率响应特性分析及随机振动疲劳分析，还原了故障现象并揭示了结构的失效机理。改进方案振动疲劳寿命提升效果的CAE分析结果与台架试验结果基本吻合，表明本文采用的振动疲劳寿命分析方法具有较高的可靠性。

【关键词】频率响应特性；振动疲劳；结构优化

0 引言

汽车行驶中路面的随机激励会引起结构的强迫振动，路试和用户反馈出的汽车构件及焊缝开裂损坏的情况中，大部分是疲劳破坏[1]。而损伤的累积效应是产生疲劳破坏的主要原因，因此结构的力学性能至关重要，特别是对路面激励比较敏感的构件在前期开发过程中进行强度及疲劳寿命的分析显得尤为重要，及时为产品开发提供技术指导和设计参考。传统的单一静力学较难全面且准确分析其力学性能，本文对振动激励下的结构动态应力及振动疲劳寿命的分析思路和方法进行研究，尝试提供一种更准确的疲劳寿命分析方法。

1 振动疲劳分析理论

1.1 疲劳累积损伤理论

2.2 振动疲劳分析的思路及流程

本文结合耐久试验中出现的尿素箱支架振动疲劳故障，通过摸索分析，总结了针对随机振动疲劳寿命的分析思路和流程（如图1）。

3 振动频率响应分析

某车型在进行耐久试验时，多台车在耐久试验完成30%左右出现尿素箱支架开裂（如图2）。从故障现象初步判定该支架开裂是由于路面振动激励导致结构应力损伤累积而造成振动疲劳失效。

3.1 载荷及约束定义

对频率响应分析的有限元模型进行处理，将支架在纵梁上的固定位置采取全约束，并在与车架连接的螺栓孔施加振动加速度作为激励，如图3所示：

3.2 结构优化及频响特性分析

对支架提出优化并进行强度频率响应分析。延长圆管固定板，与纵向支撑板焊接连接，如图4。

频率响应分析应力云图如图5显示：原方案最大Mises 应力389.2MPa。优化方案最大Mises应力236.1MPa，结构强度有明显改善。

4 振动疲劳寿命分析

对支架在长波路、短波路、直搓板路、石块路等十余种路面循环激励载荷作用下的耐久性进行振动疲劳寿命分析，在确保90%存活率的条件下，采用Goodman方法來修正分析结果。

4.1 PSD载荷及材料特性

运用nCode对支架原方案及改进方案进行振动疲劳寿命分析，将实测的加速度时域载荷转换PSD作为输入载荷。（如图6）

在nCode材料库中输入支架材料Q345的抗拉强度、屈服强度和弹性模量，拟合出材料的S-N曲线，如图7所示：

4.2 分析结果

分析结果图（8）显示：原始方案疲劳分析疲劳寿命约16.2万次，改进方案疲劳寿命约119.6万次，疲劳寿命提升约6倍。

5 台架试验及耐久试验

对原方案及优化方案进行电子振动台台架试验，本试验以路试过程中采集的各路面振动功率谱密度为激励，验证支架的振动疲劳寿命（如图9）。原结构台架试验进行了18h出现断裂，改进方案进行了102h断裂，断裂位置与路面耐久试验完全一致。台架试验表明改进方案的疲劳寿命较原方案提升了约4.7倍，与有限元分析结果较为接近。经里程换算，改进方案有信心完成整车道路耐久试验。

在Re_DV整车耐久45000km，尿素箱支架未发生任何故障现象。说明了疲劳分析准确地预估了频响分析优化的尿素箱支架的疲劳寿命，从而证实了频率响应分析与振动疲劳分析相结合分析方法的可行性、可靠性。

6 结束语

本文针对某车型典型振动件尿素箱支架在45000Km耐久试验中断裂的现象，提出了模态频率响应与振动疲劳寿命预估相结合的分析思路和方法，揭示了故障的失效机理并提出结构改进方向。改进方案较原方案振动疲劳寿命提升效果的有限元分析结果与电子振动台架试验的结果基本吻合，保证了Re_DV整车耐久试验的顺利完成。结果表明，本文所采用的分析方法来评定振动激励环境下结构的耐久可靠性是合理的，并对缩短产品设计周期、节约开发成本及解决同类问题具有借鉴意义。

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[责任编辑：朱丽娜]endprint