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Simcenter 3D結(jié)構(gòu)可靠性評估之——沖擊響應(yīng)分析

Jan 19 2024 15:55

什么是沖擊響應(yīng)?

沖擊響應(yīng)是一種持續(xù)時間很短的瞬態(tài)現(xiàn)象,可能導(dǎo)致零件出現(xiàn)故障、產(chǎn)生應(yīng)力斷裂,在某些情況下甚至破碎。機械沖擊的例子包括跌落沖擊、地震和火工品爆炸沖擊。結(jié)構(gòu)工程師必須設(shè)計出能夠承受沖擊并防止過度振動產(chǎn)生過載的應(yīng)力水平的產(chǎn)品。他們用“瞬態(tài)響應(yīng)分析”來分析沖擊的過程,計算強迫動力響應(yīng),以確定結(jié)構(gòu)在受到時變激勵時的行為。


舉一個例子,結(jié)構(gòu)工程師接到任務(wù),設(shè)計一個可以安裝構(gòu)件的結(jié)構(gòu)。例如,可以在其上安裝電子組件的電子機箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計。結(jié)構(gòu)工程師現(xiàn)在必須處理基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(在這種情況下是底座)和部件,以承受沖擊。從事這類任務(wù)的工程師通??梢詫Φ鬃桶惭b在底座上的組件進行設(shè)計更改。

正在準備進行沖擊試驗的航天器


采用瞬態(tài)分析的沖擊響應(yīng)設(shè)計評估方法

假設(shè)沖擊通過基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)傳遞是合理的,因此,工程師將首先關(guān)注基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計。為了復(fù)現(xiàn)沖擊事件,工程師需要定義沖擊的加速度曲線。為了獲取這些信息,工程師通過測量獲得沖擊事件的加速度時間歷程,或者,如果這不可能,他使用經(jīng)典的脈沖基輸入,例如正弦脈沖來模擬沖擊載荷。他現(xiàn)在有了一個脈沖信號,但沒有什么可應(yīng)用的,所以他的下一步是建立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的有限元模型。然而,由于要安裝的組件要么未知,要么仍在開發(fā)中,他不得不在模型中使用組件的理想化版本。

用于沖擊響應(yīng)研究的模擬沖擊載荷的經(jīng)典脈沖基輸入


一旦工程師建立了有限元模型,他就可以應(yīng)用加速度時程,計算各種應(yīng)力和加速度響應(yīng),包括部件連接點的應(yīng)力和加速響應(yīng)。根據(jù)這些響應(yīng),他可以通過檢查von Mises應(yīng)力是否在極限范圍內(nèi)來確定基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是否能夠承受沖擊。他的第一個設(shè)計不成功對他來說并不奇怪。畢竟,他必須考慮各種強加的設(shè)計要求。


擁有Simcenter 3D等高級軟件的工程師可以像研究人員一樣處理問題。在這種情況下,他們將使用HEEDS創(chuàng)建一個實驗設(shè)計(DoE)分析,該分析將運行他們的模擬數(shù)百甚至數(shù)千次,通過調(diào)整參數(shù),直到他們找到最佳設(shè)計。然而,這樣的實驗在模擬時間和計算機資源方面是昂貴的。在這種情況下,當我們需要大型復(fù)雜的有限元模型時,資源成本極高,需要數(shù)小時、數(shù)天甚至更長的時間才能找到最佳設(shè)計。


一旦工程師找到了最佳設(shè)計,他就會收到新的設(shè)計版本。由于此處的主要目的是設(shè)計允許振動而不會損壞安裝在其上的部件的底座。工程師將重新進行有限元模型的瞬態(tài)響應(yīng)分析,并獲得部件連接位置的響應(yīng)。工程師比較設(shè)計變更前后的瞬態(tài)響應(yīng)是很自然的。然而,如果沒有建模的實際組件,工程師不能僅通過查看生成的新響應(yīng)曲線來確定它是否比基線結(jié)果(在更改之前獲得)更好或更差。


對于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和部件的每次設(shè)計變更,工程師必須重新運行其計算機密集型分析過程。工程師還必須考慮他以前不知道的沖擊,如地震或火工品爆炸沖擊。因此,必須為各種幅值和時間脈沖建立初始基線運行,以獲得響應(yīng)的包絡(luò)。


沖擊響應(yīng)譜分析的應(yīng)用

由于瞬態(tài)分析費用高昂,工程師別無選擇,只能探索頻率或諧波響應(yīng)分析。他需要使用快速傅立葉變換將時間信號轉(zhuǎn)換到頻域。頻域分析的成本顯著低于瞬態(tài)分析。然而,頻域分析也有其局限性。例如,如果在指定頻率下出現(xiàn)振幅變化,而不是設(shè)計的頻率,會發(fā)生什么?產(chǎn)品會有故障的風險嗎?工程師可以探索的另一種選擇是將時間信號轉(zhuǎn)換為激勵的功率譜密度(PSD)。這同樣具有挑戰(zhàn)性,因為工程師不知道進行平均的持續(xù)時間或樣本。也就是說,這里的挑戰(zhàn)是勵磁的未知性和不確定性。

用于沖擊響應(yīng)分析的可能加速計位置


傳統(tǒng)方法的挑戰(zhàn)在于,它們需要了解組件的通用動態(tài)特性,即可能安裝在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的組件的共振頻率。如果沒有這些信息,就很難預(yù)測構(gòu)件對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沖擊事件的響應(yīng)。


根據(jù)沖擊響應(yīng)譜,安裝在底座上的部件被單自由度彈簧質(zhì)量系統(tǒng)取代。我們使用足夠數(shù)量的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)來覆蓋感興趣的整個頻率范圍。也就是說,相當于安裝數(shù)千個彈簧質(zhì)量系統(tǒng)來模擬可能的組件諧振頻率。當?shù)鬃艿經(jīng)_擊時,每個振蕩器都會以特定的振幅作為時間的函數(shù)振動。從工程師的角度來看,目標是設(shè)計一個部件以防發(fā)生故障。很容易關(guān)注每個彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的峰值(響應(yīng)的絕對最大值)。如果我們在x軸上繪制振蕩器諧振頻率,在y軸上繪制振幅,我們可以找到?jīng)_擊響應(yīng)譜。

沖擊響應(yīng)譜建模


本質(zhì)上,瞬態(tài)信號被轉(zhuǎn)換到頻域。為了評估設(shè)計,我們可以將一個新的或一組新的組件安裝到相同的基座位置,并使用相同的沖擊響應(yīng)譜(SRS)包絡(luò)。對于給定的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)或沖擊瞬態(tài),SRS不會發(fā)生變化。我們可以很容易地比較兩條沖擊設(shè)計曲線,因為它們只是反映了安裝在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的諧振器的最大可能振幅。在這種情況下,工程師可以簡單地使用兩條曲線的包絡(luò)線來設(shè)計振動安全部件。


有了這些信息,工程師現(xiàn)在可以獨立于構(gòu)件將構(gòu)件設(shè)計與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計解耦。如果他只有可用的歷史數(shù)據(jù),例如,從幾個地區(qū)的各種地震中獲得的地震數(shù)據(jù),他可以簡單地使用SRS曲線的包絡(luò)。

基礎(chǔ)與組件設(shè)計解耦


Simcenter 3D中的沖擊響應(yīng)譜分析

結(jié)構(gòu)工程師不必為創(chuàng)建SRS數(shù)據(jù)而煩惱。Simcenter 3D使SRS數(shù)據(jù)生成任務(wù)變得非常容易??梢詮摹绊憫?yīng)動力學(xué)”工具欄訪問此操作的用戶界面(UI)。


工程師可以將沖擊函數(shù)瞬態(tài)數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)或電子表格形式輸入。然后,他可以使用存儲的函數(shù)作為“時間到SRS轉(zhuǎn)換”工具包的輸入。此外,設(shè)計者可以根據(jù)需要創(chuàng)建正最大值、負最大值或絕對最大值的頻譜。

時間到SRS轉(zhuǎn)換輸入界面


根據(jù)瞬態(tài)沖擊數(shù)據(jù)生成沖擊響應(yīng)譜是確定部件是否能夠承受振動和應(yīng)力的第一步。

工程師現(xiàn)在可以使用安裝在底座上的部件的有限元模型。第一步是計算組件的模態(tài)。每個模態(tài)的貢獻是與固有頻率相對應(yīng)的位移值(從加速度SRS轉(zhuǎn)換為位移SRS)和模態(tài)參與因子的乘積。縮放后的模態(tài)必須進行組合,以獲得總響應(yīng)。使用總響應(yīng),結(jié)構(gòu)工程師可以查看von Mises應(yīng)力是否足夠高,足以產(chǎn)生屈服或斷裂。在一些設(shè)計等應(yīng)用中,安裝支架的總加速度不超過允許極限也很重要。


沖擊響應(yīng)及其譜域

根據(jù)相關(guān)標準選擇模態(tài)組合方法需要對沖擊譜中的區(qū)域有一點了解。通常,我們將譜劃分為3個不同的區(qū)域,如下圖所示:

  • 頻率低于fSP。在這些頻率下,響應(yīng)通常與輸入瞬態(tài)沖擊異相。在該區(qū)域,ABS、SRSS、NRC、NRC雙和、百分之十、分組、Rosenblueth雙和和和求和方法適用。

  • 頻率高于fZPA。該區(qū)域的特征是響應(yīng)與激勵同相。在該區(qū)域中,響應(yīng)只是質(zhì)量的乘積,即不參與模態(tài)響應(yīng)的質(zhì)量(缺失質(zhì)量)和零周期加速度(ZPA)

  • fSP以下和fZPA以上的頻率這是異相和同相響應(yīng)之間的過渡區(qū)域。使用Gupta和Lindley-Yow組合方法等特殊方法來計算模態(tài)響應(yīng)

加速度頻譜與頻率


總之,為了設(shè)計不超過振動水平和應(yīng)力水平的部件,工程師只需要SRS數(shù)據(jù)和部件的有限元模型。這些數(shù)據(jù)通常可供工程師使用。然而,當不提供它時,可以容易地生成它。考慮到SRS數(shù)據(jù)和特定應(yīng)用需求,工程師可以使用其中一種組合方法來計算響應(yīng)。


響應(yīng)譜分析的計算時間比全瞬態(tài)分析的計算量小一個數(shù)量級。當組件被修改或重新設(shè)計時,工程師只需用新版本替換有限元模型,計算一組新的模態(tài)及其模態(tài)參與因子。根據(jù)這些結(jié)果,他可以計算出新的響應(yīng)?,F(xiàn)在,他可以用一個完整瞬態(tài)分析的計算成本的一小部分來完成多次修正的分析。


響應(yīng)譜分析設(shè)置

Simcenter 3D為工程師提供了進行設(shè)計分析所需的工具。工程師可以先在Simcenter 3D中構(gòu)建拓撲或幾何圖形,然后對零部件進行網(wǎng)格劃分。使用同步建模技術(shù)設(shè)計,我們可以輕松地進行更改(例如:添加肋、取消孔的特征和其他屬性)。設(shè)計更改會觸發(fā)網(wǎng)格、載荷和邊界條件的自動更新。如果我們在底座上安裝多個零部件,工程師可以使用Simcenter 3D中的裝配建模。有了這個工具,他可以組裝各種部件。如果模型來自供應(yīng)商或承包商,Simcenter 3D允許工程師更換CAD組件或有限元模型。


工程師可以很容易地設(shè)置“響應(yīng)譜”求解方案,如圖所示。工程師可以定義部件模型需要計算的模模態(tài)數(shù)量,或者定義計算模式的頻率范圍。

然后將沖擊響應(yīng)譜指定為強制振動載荷,如下所示。結(jié)構(gòu)工程師可以確定沖擊的位置和方向。激勵可以在一個或多個位置和一個或更多個方向上定義。

響應(yīng)譜輸入界面


Simcenter 3D使工程師可以輕松選擇各種模態(tài)組合選項。如果SRS的規(guī)格在多個位置和/或方向,工程師可以從不同的多頻譜組合方法中進行選擇,以計算響應(yīng)。

響應(yīng)譜選項


結(jié)果查看

工程師可以在后處理任務(wù)中可視化響應(yīng)譜分析的結(jié)果。這種可視化幫助他定位設(shè)計中需要注意的熱點。下圖顯示了承受沖擊載荷的電子元件的von Mises 應(yīng)力。這樣的輸出可以幫助工程師快速放大到需要更改設(shè)計以補償振動沖擊的位置。


沖擊響應(yīng)分析總結(jié)

工程師可使用響應(yīng)譜分析方法來設(shè)計其部件以承受振動沖擊。Simcenter 3D的易用性使這一過程中的設(shè)計更改變得更加容易。工程師現(xiàn)在可以使用沖擊譜分析來更快地迭代設(shè)計變更,而不是與之相關(guān)的設(shè)計不確定性的完整瞬態(tài)分析。這使得能夠以降低的計算成本進行快速原型設(shè)計。