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1、 车身研究院试验检测所车身研究院试验检测所 毛招凤毛招凤 2014.8.28 2014.8.28 振动疲劳试验与振动疲劳试验与CAECAE分析分析 1 1 CONTENTS 01 振动疲劳概述振动疲劳概述 02 04 05 03 试验场数据采集与分析试验场数据采集与分析 台架振动加载谱合成台架振动加载谱合成 台架振动试验与寿命计算台架振动试验与寿命计算 动态响应与疲劳仿真分析动态响应与疲劳仿真分析 2 2 1 振动疲劳概述振动疲劳概述 3 3 什么原因引起？什么原因引起？ 怎么故障再现？怎么故障再现？ 如何结构优化？如何结构优化？ 如何快速验证？如何快速验证？ 楔子楔子 C-9A驾驶室驾驶室
2、在挖掘岩石、在挖掘岩石、 破碎锤冲击等破碎锤冲击等 恶劣工况下出恶劣工况下出 现开裂现开裂 4 4 类型类型 疲劳试验疲劳试验 寿命计算寿命计算 适用范围适用范围 应用举例应用举例 应力疲劳 (时域再现) 通过迭代技术， 对非平稳随机过 程的精确描述 S-N法 E-N法 结构件受力状态明确，激励 载荷便于获取，需要用力、 位移信号加载 铲斗 挖机两臂 轴耦合道路模拟 振动疲劳 (频域再现) 对平稳随机过程 的统计学模拟 Dirlik模型 Lalanne 模型 结构复杂，受力情况复杂， 难于获得准确的受力载荷， 载荷来源于海浪、风力、轮 胎等随机激励，需要大幅度 加速试验或加速计算，可以 用加速
3、度PSD加载 驾驶室 油箱 水箱 散热器支架 座椅 电气安装支架 1.1 1.1 应力疲劳与振动疲劳对比应力疲劳与振动疲劳对比 5 5 1.1 1.1 应力疲劳与振动疲劳对比应力疲劳与振动疲劳对比 计算速度计算速度 6 6 1.1 1.1 应力疲劳与振动疲劳对比应力疲劳与振动疲劳对比 计算流程计算流程 7 7 PSDPSD循环计数循环计数 JS Bendat,1964 T Dirlik,1985 C Lalanne,1992 2.2.基于基于DirlikDirlik、RayleighRayleigh、 GaussianGaussian分布，适用于宽分布，适用于宽 带信号带信号 3.3.利用利用
4、RayleighRayleigh、GaussianGaussian 分布按一定的权重比例组分布按一定的权重比例组 合，适用于宽带信号合，适用于宽带信号 1.1.RayleighRayleigh分布，仅适用于分布，仅适用于 窄带信号窄带信号 1.2 1.2 振动疲劳理论发展过程振动疲劳理论发展过程 8 8 数据采集数据采集 样机样机 CADCAD模型模型 数据处理数据处理 合成加载谱合成加载谱 台架振动试验台架振动试验 有限元模型有限元模型 频率响应分析频率响应分析 随机疲劳分析随机疲劳分析 疲劳寿命疲劳寿命计算计算 PSDPSD激励激励 S S- -N N曲线曲线 结构优化建议结构优化建议 1
5、.3 1.3 振动疲劳问题研究流程振动疲劳问题研究流程 9 9 2 试验场数据采集与分析试验场数据采集与分析 1010 2.1 2.1 振动数据采集振动数据采集 1111 465挖机在高速行走与挖挖机在高速行走与挖 掘工况时掘工况时，发动机转速在发动机转速在 1900RPM附近附近，依此计算依此计算 发动机的各阶频率发动机的各阶频率。 驾驶室安装平台驾驶室安装平台Z 方向在方向在 32 Hz、95 Hz、185 Hz、 295 Hz、601 Hz、898 Hz、 1220 Hz分别为发动机的分别为发动机的1阶阶、 3阶阶、6阶阶、9阶及主泵的阶及主泵的18 阶阶、27阶阶、36阶激励频率；阶激
6、励频率； 高速行走与挖掘工况下高速行走与挖掘工况下， 8 Hz、13Hz的响应频率应的响应频率应 为来自地面激励；为来自地面激励； 465高速行走与挖掘工况高速行走与挖掘工况 的加速度的加速度RMS大致相当大致相当，约约 为怠速工况加速度为怠速工况加速度RMS的的 45倍倍。 怠速怠速Z 高速高速Z 挖掘挖掘Z 2.2 2.2 振动数据分析振动数据分析 1212 怠速怠速X 减振器对减振器对100Hz以以 上的振动具有较好的上的振动具有较好的 隔振效果。隔振效果。 由于驾驶室的主要由于驾驶室的主要 整体模态在整体模态在100Hz以以 下，且下，且 5Hz以下振动以下振动 台驱动困难。台驱动困难
7、。 建议驾驶室振动试建议驾驶室振动试 验与验与CAE分析的频率分析的频率 范围设置为范围设置为5-100Hz， 既能覆盖绝大部分损既能覆盖绝大部分损 伤又能节省计算资源伤又能节省计算资源 怠速怠速Y 怠速怠速Z 减振前减振前 减振后减振后 2.2 2.2 振动数据分析振动数据分析 1313 3 台架振动加载谱合成台架振动加载谱合成 1414 时域叠加时域叠加 3.1 3.1 载荷谱组合载荷谱组合 1515 序号序号 原始数据原始数据 原始时长原始时长 权重权重 延长倍数延长倍数 1 怠速运行 15s 5% 120000 2 低速行走 35s 5% 51430 3 高速行走 30s 10% 12
8、0000 4 挖掘泥土 65s 10% 55380 5 挖掘碎石 50s 40% 288000 6 挖掘矿山 60s 30% 180000 备注：设计寿命以备注：设计寿命以10000h计计, 延长倍数延长倍数=36000000权重原始时长权重原始时长 综合工况加载谱合成方案综合工况加载谱合成方案 3.2 3.2 大挖综合工况大挖综合工况 1616 SRS FDS 3.3 3.3 加载谱合成流程加载谱合成流程 根据寿命等效原根据寿命等效原 则将则将4min15s的振的振 动外推到动外推到10000h 1717 基于累积寿命等效原则基于累积寿命等效原则 3.3 3.3 加载谱合成流程加载谱合成流程
9、 1818 频率（频率（Hz） PSD(g2/Hz) 频率（频率（Hz） PSD 3 0.00160 30 0.00213 5 0.00567 45 0.00101 7 0.00954 55 0.00192 18 0.00084 100 0.00192 3.3 3.3 台架振动加载谱台架振动加载谱 X X 1919 频率（频率（Hz） PSD(g2/Hz) 频率（频率（Hz） PSD 3 0.00092 20 0.00304 5 0.00556 70 0.00304 9 0.02744 100 0.00626 3.3 3.3 台架振动加载谱台架振动加载谱 Y Y 2020 频率（频率（Hz）
10、PSD(g2/Hz) 频率（频率（Hz） PSD 3 0.00025 30 0.01068 5 0.00452 38 0.01898 6 0.01281 44 0.01305 11 0.02799 88 0.08158 15 0.03226 100 0.07755 3.3 3.3 台架振动加载谱台架振动加载谱 Z Z 2121 4 台架振动试验与寿命计算台架振动试验与寿命计算 2222 4.1 C4.1 C- -9B9B驾驶室结构驾驶室结构 + = C-9A 型材骨架型材骨架 C-9B 2323 4.2 4.2 台架振动试验台架振动试验 C C- -9B9B驾驶室驾驶室 2424 台架振动台架
11、振动 4.3 4.3 局部位置应力分析局部位置应力分析 7Hz 50Hz 500Hz 7Hz 100Hz 500Hz 16Hz 5Hz 8Hz 100Hz 再次映证再次映证5-100Hz的振动是的振动是 造成局部开裂的主要原因，“造成局部开裂的主要原因，“B 柱上转角”在柱上转角”在7-8Hz附近出现应附近出现应 力峰值，与路面激励力峰值，与路面激励8Hz重叠。重叠。 标准谱标准谱1.5倍强度，倍强度，X方向方向 综合工况加载谱，综合工况加载谱，X方向方向 2525 4.4 4.4 应力疲劳寿命计算流程应力疲劳寿命计算流程 2626 标准谱标准谱1.5倍强度倍强度 Max 510.97 Min
12、 -841.22 Range 1352.19 Damage 1.17E-2 综合工况综合工况加载谱加载谱 Max 94.09 Min -89.87 Range 183.96 Damage 2.46E-06 台架振动台架振动 局部损伤计算局部损伤计算 振动数据时长振动数据时长5min，疲劳，疲劳 寿命计算累计寿命计算累计7.1h，实际，实际 振动振动2.5h出现开裂出现开裂 振动数据时长振动数据时长8min，疲劳，疲劳 寿命计算累计寿命计算累计5.4万万h，实，实 际振动际振动10h未出现开裂未出现开裂 4.5 4.5 局部位置寿命计算局部位置寿命计算 标准谱标准谱1.5倍强度，倍强度，X方向方
13、向 综合工况加载谱，综合工况加载谱，X方向方向 2727 5 动态响应与疲劳仿真分析动态响应与疲劳仿真分析 2828 E、 、SN、表面处理、表面处理 结构、尺寸、应力集中系数结构、尺寸、应力集中系数 1. 动态响应分析动态响应分析 MSC.Nastran 2. 寿命预测寿命预测 nCode Designlife 1. 2. 5.1 5.1 疲劳分析流程疲劳分析流程 2929 5.2 5.2 动态响应分析动态响应分析 SOL 111 3030 10Hz 37Hz 46Hz 75Hz 5.2 5.2 动态响应分析动态响应分析 3131 5.3 5.3 疲劳寿命计算疲劳寿命计算 3232 5.4
14、5.4 随机振动对比随机振动对比 前后方向振动，“前后方向振动，“B 柱转角”处的柱转角”处的 寿命为寿命为2.3 E+14s。这远大于。这远大于10h， 与试验结果相符。与试验结果相符。 C-9B采用合成随机谱加载，垂直方采用合成随机谱加载，垂直方 向、左右方向、前后方向各振动向、左右方向、前后方向各振动10 小时。除锁扣安装螺钉松动外，小时。除锁扣安装螺钉松动外，未未 出现开裂出现开裂现象。现象。3辆辆C-9B驾驶室在宁驾驶室在宁 夏矿区恶劣工况工作夏矿区恶劣工况工作3000小时未出小时未出 现开裂现开裂。 3333 台架垂直方向振动台架垂直方向振动17 h （6.12 E+04s），“），“B 柱柱 上转角”处出现开裂。上转角”处出现开裂。 5.5 5.5 扫频振动对比扫频振动对比 垂直振动“垂直振动“B 柱上转角”柱上转角” 处的计算寿命为处的计算寿命为 2.25E+04s，合计，合计6.3h 3434 5.6 5.6 结构优化结构优化 1.15E+04 6.62E+04 结构优化结构优化 3535 补录补录 3636
