随机振动疲劳寿命预测方法

目前，预测电池箱的疲劳寿命主要有两种方法：正弦定频振动和随机振动。正弦定频振动是考察电池箱在指定的频率抗振耐久性能，而随机振动能真实反映各个谐振频率点上的振动特性，比较符合电池箱的实际振动环境；随机振动中的三区间法和Dirlik方法操作简单、应用广泛。上一篇文章介绍了电池箱的频率响应分析方法，获得了0~200Hz的频率响应曲线。



本文则介绍利用频率响应曲线预测疲劳寿命的方法。随机振动疲劳寿命的预测思路如下图。



1、加速度功率谱密度
随机振动无法用确定的函数关系式去表达，只能通过概率统计的方法去描述。在时间域内，采用相关函数给出随机振动的统计特性；而在频域内，功率谱密度表示随机振动在各个频率成分上的统计特性。功率谱密度函数为自相关函数的傅里叶变换，即。电池包振动测试国标中，规定的垂直地面方向加速度功率谱密度如下图所示。



通过加速度的功率谱密度函数，可知各个频段的载荷分布，例如上图的加速度功率谱密度，在5~10Hz，加速度载荷为0.05~0.06g2/Hz，在10~20Hz，加速度载荷为0.06 g2/Hz，所以振动主要集中在0~20Hz，通常电池包等所受的路面及电机激励频率都在30Hz以下。

2、疲劳寿命计算方法
Dirlik疲劳寿命算法是目前主流疲劳仿真软件nCode所采用的方法，其基本原理为根据式将加速度功率谱密度W(f)与传递函数H（f）的平方相乘，即可获得应力的功率谱密度G（f），应力功率谱密度G（f）通过傅里叶逆变换得到应力的时间历程，然后通过雨流循环计数，获得应力的概率密度函数，如图。



根据Miner线性损伤累积法则可知，每一次的应力循环对结构造成的损伤是累积叠加的，即总体损伤为。材料的S-N曲线采用幂指数形式。结构的总体损伤为，其中E[P]为单位时间过峰值点的次数；S为应力；p(SI)为应力幅值的概率密度函数。C,m是与材料温度、应力比和平均应力相关的常数。

3、nCode参数设置
在nCode中搭建疲劳寿命分析的流程图。1号用于输入频率响应，ANSYS分析获得的频响格式为rst，hypermesh分析获得的频响格式为op2；2号用于输入加速度功率谱密度载荷谱，载荷谱可通过多体动力学仿真软件获取，也可以依据振动测试的国标选取；3号用于显示载荷谱值；4号用于设置疲劳分析参数；5号显示疲劳寿命分布；6号显示各节点、单元具体损伤值和寿命值；S-N曲线以及载荷的关联是在4窗口右击，在属性中设置。



4、几个需要注意的小细节
要将op2格式的频响存放到nCode的根目录bin文件夹下，方可读取；
将载荷谱保存成CSV格式或者有逗号分隔符的txt格式，通过ASCIItranslate，转换为s3m格式文件，并存放到nCode的根目录bin文件夹下，方可读取



也可以使用vibration generator直接输入载荷谱，这种方式计算比较慢，推荐采用s3m格式



参数设置
1存活率设置，依据p-S-N曲线取值；2提取的应力类型，对于振动分析，有关键平面和最大主应力两种方法，推荐采用后者；3平均应力修正，一般采用Goodman法；4疲劳寿命计算方法，Dirlik法，适应性强，准确度高，运速度快，优于窄带法、宽带法和三区间法。其他的参数介绍可参考公众号里nCode资料。



材料的S-N曲线，可以根据自带的材料库选择，也可以依据材料的弹性模量、抗拉强度去近似估计