电喇叭振动疲劳分析.pdf

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汽车实用技术
2015年第1期
设计研究
AUTOMOBILE APPLIED TECINOLOGY
2015NO.1
电喇叭振动疲劳分析
刘建平,鄂世国,乔鑫
(华晨汽车工程研究院车身CAB工程室,辽宁沈阳110141)
摘要:通过振动疲劳试验规范得到功率谱密度数据,以此作为输入,利用频响分析和疲劳分析等CAE分析方法
对该车型电喇叭及其支架在试验功率谱谱作用下的振动疲劳寿命进行分析计算,同时与试验结果进行对比
关键词:功率谱密度;振动疲劳
中图分类号:U467.3文献标识码:A文章编号:1671-7988(2015)01-32-05
Vibration Fatigue Analysis of Horn
Liu Jianping, E Shiguo, Qiao Xin
Brilliance Automotive Engineering Research Institute Body CAE engineering room, Liaoning Shenyang 110141)
Abstract: The PSD(Power spectral density )curve obtained by the test standards of vibration fatigue as input. Use CAE
methods like frequency response analysis and fatigue analysis, to analyze the vibration fatigue life of horn under the teste
PSD, and compare with the test result
Keywords: Vibration fatigue; PSD
CLC NO: 0467.3 Document Code: A Article D: 1671-7988(2015)01-32-05
前言
1、振动疲劳理论
疲劳作为结构失效的主要形式,它是指材料、零件和构1.1振动疲劳的定义
件在交变载荷作用下,在某点或某些点产生局部的永久性损
载荷的频率与结构的某一和某几阶共振频率一致或相接
伤,并在一定循环次数后形成裂纹、并使裂纹进一步扩展直近时,结构将会发生共振,这时不大的激励将会产生很大的
到完全断裂的现象。早在19世纪中叶,随着蒸汽机的发明和响应,使得结构更加易于产生失效;此类问题涉及到结构共
铁路健设的发展,研究人员发现机车车轮结构在远小于其静振响应,需要利用结构动力学技术加以研究,从而可以揭示
强度极限载荷时发生交变应力破坏现象,由此提出并发展了一些与结构动态特性有关的规律,下面将这一问题称为振动
不同于结构静强度破坏的结构疲劳破坏问题。由于工业、交疲劳或动态疲劳问题。张阿舟り指出,在六十年代,S.H.
通和国防技术的发展,结构疲劳失效问题遍布在汽年、航空、 Crandall首先将振动载荷作用下产生的具有不可逆且累积
航天、能源、交通、建筑、化工等诸多领域,促使抗疲劳设性的结构损伤或破坏称为振动疲劳,不过该定义并未揭示振
计得到深入的发展和广泛的应用。另外,我们很容易发现在动疲劳学的动力学本质。而姚起杭对振动疲劳问题的定义
结构疲劳破坏问题中包含了一类重要的现象,那就是当交变是:“振动疲劳是结构所受动态交变载荷(如振动、冲击、噪
载荷的频率与结构的某一阶(甚至某几阶)固有频率一致或声载荷等)的频率分布与结构固有频率分布相近,从而使结
比较接近时,结构将会发生共振,这时一定的激励将会产生构产生共振所导致的疲劳破坏现象,或者说结构受到重复载
更大的响应,使结构更加易于产生破坏。这类振动疲劳问题,荷作用激起结构共振所导致的疲劳破坏。所以只有结构在其
说明结构的疲劳失效与结构的振动响应密切相关
共振带宽内或其附近受到溦励导致了共振才属于振动疲劳问
题,其它则属于静态疲劳问题。
动态载荷作用下试件的振动疲劳破坏取决于受力情况严
作者简介:刘建平,就职于华汽车工程研究院车身CAE工程室。重处一定“体积”内的应力、应变的分布情况。只要最大
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应力区域达到疲劳强度极限,而且该区域与周围应力分布相
其中,S-共振疲劳试验中应力幅值的均方根值
同,构件在持续循环应力下就会发生疲劳破坏。区别只是在
b-称为S-N曲线的斜率参数,由材料性质决定
非共振状态下构件中的应力水平要到达共振状态下构件达到
N-应力s作用下达到破坏时的循环次数
的应力水平需要更大的激励能量。结构受到动态交变载荷(如
C,-由试验决定的常数
振动、冲击等)时,结构的振动特性(固有频率、阻尼、振动
因为式(1-2)和(1-4)具有相似性,有的学者就认为,
模态)对其振动响应及所导致的疲劳破坏具有主要作用或具保持试验时应力相同,得到两种曲线应一样,可以利用静态
有不可忽略的显著影响时,发生的疲劳就属于振动疲劳。工疲劳曲线进行振动疲劳计算,这其实是一种误解。姚起杭
程实际中结构上出现大的应力区基本上都发生在构件的共振认为疲劳裂纹的产生主要决定于临界点附近的特定循环应力
状态或构件局部的共振状态。所以,研究振动疲劳时,考虑分布或应力场。虽然表面应力相等,但附近三维静态弹性变
构件处于共振或接近共振的过度振动状态具有现实意义。
形的应力场和由共振模态决定的各阶共振时的应力场不完全
1.2振动疲劳的特点
相同,裂纹生成,开裂时间理论上应当不同,疲芳曲线理论
振动疲劳的特点是:1.由动态激励引起;2.由于振动载上也应当不相同。两者结构疲劳特性的影响因素不完全相同
荷的频率与零件局部结构的固有振动频率一致或相接近而引且实际试验得到的曲线也证明了该情况。
发共振或者过度振动;3.裂纹的形成寿命非常短,约在十几
如果不考虑材料阻尼对结构疲劳特性的影响,那么,振
到几十个小时。
动疲劳与常规疲劳的主要区别之一就是频率效应问题。所以,
1.3振动应力ー疲劳寿命关系问题
在振动疲劳中,首先考虑的就是载荷频率效应对振动波劳テ
在常规试验中,对于对称循环载荷,当载荷循环数N小命的影响。这里的疲劳寿命包括结构的裂纹起始、裂纹扩展、
于10°时,疲劳强度极限接近于材料的拉伸强度极限,而且结构失效
随循环数N的变化不大;当循环载荷大于10时,疲劳强度1.4振动疲劳破坏机理
极限接近于0-;当载荷循环在10~10时,疲劳寿命中的
振动疲劳破坏机理,是疲劳破坏过程的重堄即在循环应
SN曲线可以用双对数坐标图(1ogS-log)来表示,可以写力作用下,结构中最薄弱(或有缺陷)部位的晶体首先沿最大
成
剪应力方向发生滑移或位错,由此逐渐积累直至发展为较大
C=SN
(1-1)的滑移带。在该过程中,根据应力与材料不同的特点,可以
两边取对数可以得到:
形成硬化区、微观小孔或晶体破裂等。应力继续作用时,微
gs=-=logn +=logc
裂纹尖端处存在的应力集中开始对破坏进程起主要作用。即
应力集中区域的载荷增大,在微裂纹尖端形成塑性区:在循
其中,S-试验时应力幅值的均方根值
环应力反复拉压作用下,微裂纹尖端沿着垂直于最大正应力
Nー应力作用下达到破坏时的循环次数
的方向向前扩展,塑性区也随之向前推移;裂纹扩展的这
b-称为S-N曲