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Simcenter 3D結構可靠性評估之——沖擊響應分析

Jan 19 2024 15:55

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什么是沖擊響應？

沖擊響應是一種持續(xù)時間很短的瞬態(tài)現(xiàn)象，可能導致零件出現(xiàn)故障、產(chǎn)生應力斷裂，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。結構工程師必須設計出能夠承受沖擊并防止過度振動產(chǎn)生過載的應力水平的產(chǎn)品。他們用“瞬態(tài)響應分析”來分析沖擊的過程，計算強迫動力響應，以確定結構在受到時變激勵時的行為。

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

正在準備進行沖擊試驗的航天器

采用瞬態(tài)分析的沖擊響應設計評估方法

假設沖擊通過基礎結構傳遞是合理的，因此，工程師將首先關注基礎結構的設計。為了復現(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，但沒有什么可應用的，所以他的下一步是建立基礎結構的有限元模型。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，他就可以應用加速度時程，計算各種應力和加速度響應，包括部件連接點的應力和加速響應。根據(jù)這些響應，他可以通過檢查von Mises應力是否在極限范圍內(nèi)來確定基礎結構是否能夠承受沖擊。他的第一個設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計。

一旦工程師找到了最佳設計，他就會收到新的設計版本。由于此處的主要目的是設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)響應分析，并獲得部件連接位置的響應。工程師比較設計變更前后的瞬態(tài)響應是很自然的。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曲線來確定它是否比基線結果（在更改之前獲得）更好或更差。

對于基礎結構和部件的每次設計變更，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，以獲得響應的包絡。

沖擊響應譜分析的應用

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分析。他需要使用快速傅立葉變換將時間信號轉換到頻域。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，即可能安裝在基礎結構上的組件的共振頻率。如果沒有這些信息，就很難預測構件對基礎結構沖擊事件的響應。

根據(jù)沖擊響應譜，安裝在底座上的部件被單自由度彈簧質量系統(tǒng)取代。我們使用足夠數(shù)量的彈簧質量系統(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，目標是設計一個部件以防發(fā)生故障。很容易關注每個彈簧質量系統(tǒng)的峰值（響應的絕對最大值）。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)_擊響應譜。

沖擊響應譜建模

本質上，瞬態(tài)信號被轉換到頻域。為了評估設計，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譜（SRS）包絡。對于給定的基礎結構或沖擊瞬態(tài)，SRS不會發(fā)生變化。我們可以很容易地比較兩條沖擊設計曲線，因為它們只是反映了安裝在基礎結構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線來設計振動安全部件。

有了這些信息，工程師現(xiàn)在可以獨立于構件將構件設計與基礎結構設計解耦。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。

基礎與組件設計解耦

Simcenter 3D中的沖擊響應譜分析

結構工程師不必為創(chuàng)建SRS數(shù)據(jù)而煩惱。Simcenter 3D使SRS數(shù)據(jù)生成任務變得非常容易。可以從“響應動力學”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轉換”工具包的輸入。此外，設計者可以根據(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轉換輸入界面

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

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的位移值（從加速度SRS轉換為位移SRS）和模態(tài)參與因子的乘積?？s放后的模態(tài)必須進行組合，以獲得總響應。使用總響應，結構工程師可以查看von Mises應力是否足夠高，足以產(chǎn)生屈服或斷裂。在一些設計等應用中，安裝支架的總加速度不超過允許極限也很重要。

沖擊響應及其譜域

根據(jù)相關標準選擇模態(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)域的特征是響應與激勵同相。在該區(qū)域中，響應只是質量的乘積，即不參與模態(tài)響應的質量（缺失質量）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

加速度頻譜與頻率

總之，為了設計不超過振動水平和應力水平的部件，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?？紤]到SRS數(shù)據(jù)和特定應用需求，工程師可以使用其中一種組合方法來計算響應。

響應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)這些結果，他可以計算出新的響應?，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。

響應譜分析設置

Simcenter 3D為工程師提供了進行設計分析所需的工具。工程師可以先在Simcenter 3D中構建拓撲或幾何圖形，然后對零部件進行網(wǎng)格劃分。使用同步建模技術設計，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置“響應譜”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。