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什么是沖擊響應(yīng)？

沖擊響應(yīng)是一種持續(xù)時(shí)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(jī)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(jì)出能夠承受沖擊并防止過度振動(dòng)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(jì)算強(qiáng)迫動(dòng)力響應(yīng)，以確定結(jié)構(gòu)在受到時(shí)變激勵(lì)時(shí)的行為。

舉一個(gè)例子，結(jié)構(gòu)工程師接到任務(wù)，設(shè)計(jì)一個(gè)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(jī)箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。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)的工程師通常可以對底座和安裝在底座上的組件進(jìn)行設(shè)計(jì)更改。

正在準(zhǔn)備進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的航天器

采用瞬態(tài)分析的沖擊響應(yīng)設(shè)計(jì)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(jì)。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(shí)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(gè)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(shí)程，計(jì)算各種應(yīng)力和加速度響應(yīng)，包括部件連接點(diǎn)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(gè)設(shè)計(jì)不成功對他來說并不奇怪。畢竟，他必須考慮各種強(qiáng)加的設(shè)計(jì)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(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DoE）分析，該分析將運(yùn)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(jì)。然而，這樣的實(shí)驗(yàn)在模擬時(shí)間和計(jì)算機(jī)資源方面是昂貴的。在這種情況下，當(dāng)我們需要大型復(fù)雜的有限元模型時(shí)，資源成本極高，需要數(shù)小時(shí)、數(shù)天甚至更長的時(shí)間才能找到最佳設(shè)計(jì)。

一旦工程師找到了最佳設(shè)計(jì)，他就會收到新的設(shè)計(jì)版本。由于此處的主要目的是設(shè)計(jì)允許振動(dòng)而不會損壞安裝在其上的部件的底座。工程師將重新進(jìn)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(jì)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(shí)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(jì)變更，工程師必須重新運(yùn)行其計(jì)算機(jī)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(shí)間脈沖建立初始基線運(yùn)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(fèi)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(shí)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(jì)的頻率，會發(fā)生什么？產(chǎn)品會有故障的風(fēng)險(xiǎn)嗎？工程師可以探索的另一種選擇是將時(shí)間信號轉(zhuǎn)換為激勵(lì)的功率譜密度（PSD）。這同樣具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)楣こ處煵恢肋M(jìn)行平均的持續(xù)時(shí)間或樣本。也就是說，這里的挑戰(zhàn)是勵(lì)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(jì)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(dòng)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(gè)頻率范圍。也就是說，相當(dāng)于安裝數(shù)千個(gè)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)來模擬可能的組件諧振頻率。當(dāng)?shù)鬃艿經(jīng)_擊時(shí)，每個(gè)振蕩器都會以特定的振幅作為時(shí)間的函數(shù)振動(dòng)。從工程師的角度來看，目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)部件以防發(fā)生故障。很容易關(guān)注每個(gè)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(jì)，我們可以將一個(gè)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(jì)曲線，因?yàn)樗鼈冎皇欠从沉税惭b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(jì)振動(dòng)安全部件。

有了這些信息，工程師現(xiàn)在可以獨(dú)立于構(gòu)件將構(gòu)件設(shè)計(jì)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解耦。如果他只有可用的歷史數(shù)據(jù)，例如，從幾個(gè)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(jì)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(dòng)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(shí)間到SRS轉(zhuǎn)換”工具包的輸入。此外，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建正最大值、負(fù)最大值或絕對最大值的頻譜。

時(shí)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(dòng)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(jì)算組件的模態(tài)。每個(gè)模態(tài)的貢獻(xiàn)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(jìn)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)選擇模態(tài)組合方法需要對沖擊譜中的區(qū)域有一點(diǎn)了解。通常，我們將譜劃分為3個(gè)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(lì)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(jì)算模態(tài)響應(yīng)

加速度頻譜與頻率

總之，為了設(shè)計(jì)不超過振動(dòng)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(dāng)不提供它時(shí)，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(jì)算響應(yīng)。

響應(yīng)譜分析的計(jì)算時(shí)間比全瞬態(tài)分析的計(jì)算量小一個(gè)數(shù)量級。當(dāng)組件被修改或重新設(shè)計(jì)時(shí)，工程師只需用新版本替換有限元模型，計(jì)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(jì)算出新的響應(yīng)?，F(xiàn)在，他可以用一個(gè)完整瞬態(tài)分析的計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)分析所需的工具。工程師可以先在Simcenter 3D中構(gòu)建拓?fù)浠驇缀螆D形，然后對零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。使用同步建模技術(shù)設(shè)計(jì)，我們可以輕松地進(jìn)行更改（例如：添加肋、取消孔的特征和其他屬性）。設(shè)計(jì)更改會觸發(fā)網(wǎng)格、載荷和邊界條件的自動(dòng)更新。如果我們在底座上安裝多個(gè)零部件，工程師可以使用Simcenter 3D中的裝配建模。有了這個(gè)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(jì)算的模模態(tài)數(shù)量，或者定義計(jì)算模式的頻率范圍。

然后將沖擊響應(yīng)譜指定為強(qiáng)制振動(dòng)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(lì)可以在一個(gè)或多個(gè)位置和一個(gè)或更多個(gè)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(xiàng)。如果SRS的規(guī)格在多個(gè)位置和/或方向，工程師可以從不同的多頻譜組合方法中進(jìn)行選擇，以計(jì)算響應(yīng)。

響應(yīng)譜選項(xiàng)

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(jì)中需要注意的熱點(diǎn)。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(jì)以補(bǔ)償振動(dòng)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(jì)其部件以承受振動(dòng)沖擊。Simcenter 3D的易用性使這一過程中的設(shè)計(jì)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(jì)變更，而不是與之相關(guān)的設(shè)計(jì)不確定性的完整瞬態(tài)分析。這使得能夠以降低的計(jì)算成本進(jìn)行快速原型設(shè)計(jì)。