電源固定板的振動疲勞分析及試驗研究

王 志，豐霞瑤，李志強

（中節能晶和科技有限公司，江西南昌 330029）

0 引言

近年來，各行各業越來越注重產品的疲勞強度問題。疲勞失效分析涉及多項領域，如汽車、航天航空、航海、能源、國防、鐵路、海洋工程及一般的機械制造等工業領域。引起疲勞失效的原因主要是結構承受擾動載荷，在經歷足夠多的循環作用后產生裂紋，裂紋擴展最終導致機體結構破壞。振動就是一種典型的擾動載荷形式。為此，人們針對產品使用工況進行一系列的振動試驗，檢測產品是否發生疲勞失效。

姚起杭等[1]闡明了結構振動疲勞問題的概念和定義，用兩者的不同特點區分了其與常規結構疲勞，把疲勞規整為結構靜疲勞和動疲勞。馬一江等[2]基于Paris公式和傳遞矩陣以無質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估方法。結果表明，裂紋數量、裂紋位置和深度對梁的模態參數和疲勞壽命有重要影響。潘利科等[3]以整體吊弦為研究對象，對比國內外檢驗方法提出了一種新的模擬其服役過程的等效振動疲勞試驗方法，并根據此方法設計了兩種不同結構的整體吊弦振動疲勞試驗設備。

在城市照明的燈具行業，由于燈具應用場所廣泛，如道路、橋梁、天橋和隧道等，這些工作環境不可避免地存在振動，有可能引起燈具共振而產生疲勞破壞。因此，本文針對本公司的一款隧道燈，采用有限元仿真技術借助HyperWorks平臺進行振動疲勞仿真，并用振動試驗加以驗證，為日后公司利用仿真指導結構設計優化提供支撐。

1 疲勞分析方法

目前，疲勞壽命預測具有三種經典方法，分別是S-N（總壽命法）、E-N（裂紋起始壽命法）和LEFM（裂紋擴展壽命法）。這幾種方法都依賴于相似性，第一種是名義應力或彈性應力和總壽命之間的關系，第二種是局部應變和裂紋起始壽命之間的關系，第三種是應力強度因子和裂紋擴展速率之間的關系。

本文利用S-N名義應力法進行分析，結合Miner線性損傷累計得到受到不同應力、應變幅值的總損傷和總壽命。HyperWorks中的OptiStruct求解器能專業地進行5～30Hz區間的掃頻振動疲勞計算。

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應的材料和掃頻振動特性參數等。LCF和HCF分別表示低周疲勞和高周疲勞，Fatigue Limit為疲勞極限。

在OptiStruct求解器中，對于鋼材材料默認定義式為：

式中：UTS—材料極限抗拉強度。

Miner線性損傷累計依次計算某應力幅值下單次循環損傷的表達式：

n次循環損傷：

不同應力、應變幅值總損傷：

由此得到總壽命：

2 有限元分析

將隧道燈3D模型導入到HyperMesh中進行網格劃分，網格總數204496個。

本文主要通過分析電源固定板的振動疲勞情況來反映有限元分析的有效性，并指導優化設計，在1mm厚的電源固定板出現疲勞破壞后將其厚度優化至1.5mm，以下將優化前后的有限元分析情況進行統一介紹。電源固定板的網格數均為176個，單元類型為PSHELL。除燈殼材料為ADC12，單元類型為PSOLID外，其它零件材質為SPCC，單元類型為PSHELL，阻尼取經驗值0.04。

2.1 靜力分析

在隧道燈網格模型上各零件間建立相應連接關系，然后對其U型支架固定點施加全約束，考慮自身重力進行靜力分析。

結果表明電源固定板在固定位置附近所受應力最大。也就是說固定位置附近是該零件的危險部位，經過載荷循環加載有可能發生疲勞斷裂。

2.2 頻響分析

隧道燈在振動試驗時，振動臺通過程序控制端對其施加沿z方向3g正弦掃頻振動，掃頻區間為5～30Hz。由于低頻段加載時位移會放大，為了避免試驗時結構破壞，在5～19.2Hz低頻段進行4mm位移控制。

在U型支架固定點設置單位加速度載荷，完成在OptiStruct求解器中對動態載荷RLOAD2的定義：

式中：A—單位加速度；B（f）—激振對數型目標譜。因無時間延遲，默認φ（f）+θ-2πfτ=0。根據分析計算需求，可以綜合使用頻率設置FREQi卡片來有效捕捉載荷拐點或者共振峰值。

結果表明，電源固定板在激振頻率為9.57Hz時達到共振點，1mm電源固定板所受應力最大，應力值為157.7MPa，小于材料的屈服極限；此時1.5mm電源固定板所受最大應力為45.2MPa，遠小于材料的屈服極限。

2.3 疲勞分析

依據疲勞產生機理，雖然共振狀態下的名義應力值并未超過材料的屈服強度，在本模型的掃頻振動循環作用下，循環次數為110次。電源固定板依然可能由于載荷的反復變化引起疲勞損傷繼而產生斷裂失效。

在OptiStruct求解器中設置疲勞分析流程管理器，創建疲勞工況，選擇SN掃頻疲勞選項，定義疲勞分析參數。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。接著導入頻響分析結果，定義好各流程參數后提交疲勞作業。

將運行后的結果用HyperView查看，損傷結果見圖1。圖中1mm電源固定板除藍色區域可能產生疲勞斷裂；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 試驗驗證

隧道燈固定在振動臺上進行3g加速度振動。振動試驗完成后，1mm電源固定板發生斷裂。排除螺絲簡化為1D單元影響，斷裂部位與仿真結果較為相符。而優化設計加厚至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現有設計，對試驗結果進行預判。

4 結論

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疲勞特性。

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

（2）有限元振動疲勞仿真分析能減少打樣驗證次數，節約成本，縮短開發周期，對振動疲勞類零件的設計具有一定的指導意義。