王 志，豐霞瑤，李志強

（中節(jié)能晶和科技有限公司，江西南昌 330029）

0 引言

近年來，各行各業(yè)越來越注重產(chǎn)品的疲勞強度問題。疲勞失效分析涉及多項領(lǐng)域，如汽車、航天航空、航海、能源、國防、鐵路、海洋工程及一般的機械制造等工業(yè)領(lǐng)域。引起疲勞失效的原因主要是結(jié)構(gòu)承受擾動載荷，在經(jīng)歷足夠多的循環(huán)作用后產(chǎn)生裂紋，裂紋擴展最終導(dǎo)致機體結(jié)構(gòu)破壞。振動就是一種典型的擾動載荷形式。為此，人們針對產(chǎn)品使用工況進行一系列的振動試驗，檢測產(chǎn)品是否發(fā)生疲勞失效。

姚起杭等[1]闡明了結(jié)構(gòu)振動疲勞問題的概念和定義，用兩者的不同特點區(qū)分了其與常規(guī)結(jié)構(gòu)疲勞，把疲勞規(guī)整為結(jié)構(gòu)靜疲勞和動疲勞。馬一江等[2]基于Paris公式和傳遞矩陣以無質(zhì)量彎曲彈簧等效裂紋，提出一種可求解含多條裂紋梁疲勞壽命的預(yù)估方法。結(jié)果表明，裂紋數(shù)量、裂紋位置和深度對梁的模態(tài)參數(shù)和疲勞壽命有重要影響。潘利科等[3]以整體吊弦為研究對象，對比國內(nèi)外檢驗方法提出了一種新的模擬其服役過程的等效振動疲勞試驗方法，并根據(jù)此方法設(shè)計了兩種不同結(jié)構(gòu)的整體吊弦振動疲勞試驗設(shè)備。

在城市照明的燈具行業(yè)，由于燈具應(yīng)用場所廣泛，如道路、橋梁、天橋和隧道等，這些工作環(huán)境不可避免地存在振動，有可能引起燈具共振而產(chǎn)生疲勞破壞。因此，本文針對本公司的一款隧道燈，采用有限元仿真技術(shù)借助HyperWorks平臺進行振動疲勞仿真，并用振動試驗加以驗證，為日后公司利用仿真指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供支撐。

1 疲勞分析方法

目前，疲勞壽命預(yù)測具有三種經(jīng)典方法，分別是S-N（總壽命法）、E-N（裂紋起始壽命法）和LEFM（裂紋擴展壽命法）。這幾種方法都依賴于相似性，第一種是名義應(yīng)力或彈性應(yīng)力和總壽命之間的關(guān)系，第二種是局部應(yīng)變和裂紋起始壽命之間的關(guān)系，第三種是應(yīng)力強度因子和裂紋擴展速率之間的關(guān)系。

本文利用S-N名義應(yīng)力法進行分析，結(jié)合Miner線性損傷累計得到受到不同應(yīng)力、應(yīng)變幅值的總損傷和總壽命。HyperWorks中的OptiStruct求解器能專業(yè)地進行5～30Hz區(qū)間的掃頻振動疲勞計算。

在分析過程中，有限元軟件需要用戶定義模型中不同零件相對應(yīng)的材料和掃頻振動特性參數(shù)等。LCF和HCF分別表示低周疲勞和高周疲勞，F(xiàn)atigue Limit為疲勞極限。

在OptiStruct求解器中，對于鋼材材料默認定義式為：

式中：UTS—材料極限抗拉強度。

Miner線性損傷累計依次計算某應(yīng)力幅值下單次循環(huán)損傷的表達式：

n次循環(huán)損傷：

不同應(yīng)力、應(yīng)變幅值總損傷：

由此得到總壽命：

2 有限元分析

將隧道燈3D模型導(dǎo)入到HyperMesh中進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)204496個。

本文主要通過分析電源固定板的振動疲勞情況來反映有限元分析的有效性，并指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計，在1mm厚的電源固定板出現(xiàn)疲勞破壞后將其厚度優(yōu)化至1.5mm，以下將優(yōu)化前后的有限元分析情況進行統(tǒng)一介紹。電源固定板的網(wǎng)格數(shù)均為176個，單元類型為PSHELL。除燈殼材料為ADC12，單元類型為PSOLID外，其它零件材質(zhì)為SPCC，單元類型為PSHELL，阻尼取經(jīng)驗值0.04。

2.1 靜力分析

在隧道燈網(wǎng)格模型上各零件間建立相應(yīng)連接關(guān)系，然后對其U型支架固定點施加全約束，考慮自身重力進行靜力分析。

結(jié)果表明電源固定板在固定位置附近所受應(yīng)力最大。也就是說固定位置附近是該零件的危險部位，經(jīng)過載荷循環(huán)加載有可能發(fā)生疲勞斷裂。

2.2 頻響分析

隧道燈在振動試驗時，振動臺通過程序控制端對其施加沿z方向3g正弦掃頻振動，掃頻區(qū)間為5～30Hz。由于低頻段加載時位移會放大，為了避免試驗時結(jié)構(gòu)破壞，在5～19.2Hz低頻段進行4mm位移控制。

在U型支架固定點設(shè)置單位加速度載荷，完成在OptiStruct求解器中對動態(tài)載荷RLOAD2的定義：

式中：A—單位加速度；B（f）—激振對數(shù)型目標(biāo)譜。因無時間延遲，默認φ（f）+θ-2πfτ=0。根據(jù)分析計算需求，可以綜合使用頻率設(shè)置FREQi卡片來有效捕捉載荷拐點或者共振峰值。

結(jié)果表明，電源固定板在激振頻率為9.57Hz時達到共振點，1mm電源固定板所受應(yīng)力最大，應(yīng)力值為157.7MPa，小于材料的屈服極限；此時1.5mm電源固定板所受最大應(yīng)力為45.2MPa，遠小于材料的屈服極限。

2.3 疲勞分析

依據(jù)疲勞產(chǎn)生機理，雖然共振狀態(tài)下的名義應(yīng)力值并未超過材料的屈服強度，在本模型的掃頻振動循環(huán)作用下，循環(huán)次數(shù)為110次。電源固定板依然可能由于載荷的反復(fù)變化引起疲勞損傷繼而產(chǎn)生斷裂失效。

在OptiStruct求解器中設(shè)置疲勞分析流程管理器，創(chuàng)建疲勞工況，選擇SN掃頻疲勞選項，定義疲勞分析參數(shù)。然后定義疲勞單元和材料，利用材料的抗拉極限生成SN曲線。接著導(dǎo)入頻響分析結(jié)果，定義好各流程參數(shù)后提交疲勞作業(yè)。

將運行后的結(jié)果用HyperView查看，損傷結(jié)果見圖1。圖中1mm電源固定板除藍色區(qū)域可能產(chǎn)生疲勞斷裂；1.5mm電源固定板則無疲勞損傷。

圖1 電源固定板損傷情況

3 試驗驗證

隧道燈固定在振動臺上進行3g加速度振動。振動試驗完成后，1mm電源固定板發(fā)生斷裂。排除螺絲簡化為1D單元影響，斷裂部位與仿真結(jié)果較為相符。而優(yōu)化設(shè)計加厚至1.5mm的電源固定板無損傷，表明通過有限元分析可以有效改進現(xiàn)有設(shè)計，對試驗結(jié)果進行預(yù)判。

4 結(jié)論

本文通過HyperMesh建立了隧道燈有限元模型，利用OptiStruct求解器分析了電源固定板的振動疲勞特性。

（1）1mm厚的電源固定板發(fā)生疲勞斷裂，與振動試驗結(jié)果相符。1.5mm厚的電源固定板無疲勞損傷，振動試驗結(jié)果亦如此，試驗結(jié)果驗證了仿真分析的有效性。

（2）有限元振動疲勞仿真分析能減少打樣驗證次數(shù)，節(jié)約成本，縮短開發(fā)周期，對振動疲勞類零件的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。