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承重托盘振动疲劳探究(一)

2017/12/7    来源:互联网    作者:王亚红      
关键字:有限元分析(FEA)  振动疲劳寿命  核磁共振成像仪  Miner累积疲劳损伤比  
为了满足运输条件,几乎所有产品在研发阶段都要进行机械环境测试,例如冲击和振动实验。在做振动实验时,难免会遇到振动疲劳的问题。怎样计算产品的振动疲劳寿命一直是工程中的一个比较热的话题。本文详细地介绍了用一种非常有效的计算振动疲劳寿命的方法,对核磁共振成像仪机柜中的一个承重托盘在振动实验后断裂的问题进行分析,并加以改进的整个过程。在承重托盘在经过300个小时的振动实验发生断裂问题后,为了找到发生断裂的根本原因,利用有限元仿真对承重托盘系统做了随机振动分析,得到承重托盘上的1σ,2σ和3σ应力值。再根据大部分随机振动都满足高斯正太分布这一重要特性,参考Steinberg随机振动的疲劳分析方法,获得承重托盘的Miner累积疲劳损伤比。最后根据仿真和计算结果,对现有承重托盘结构进行优化,使其最终满足300小时的随机振动实验要求。并且自更改实施后8个月以来,一直没有任何断裂发生的记录。

0 引言

    核磁共振成像仪相对X-Ray和CT,因为低辐射的原因,已经被越来越多的医院和患者所喜爱。但是因为仪器特别昂贵,一些小镇上的小医院想要单独购买还比较困难。基于这些小医院需要做核磁共振的病人也不是太多,就可以考虑好几家医院共同出资买一台可移动的核磁共振成像仪。这个被称为可移动的核磁共振成像仪,其实就是将一个核磁共振成像仪,放在一个特定的大卡车上,在几个医院之间被运来运去。

    其实为了满足平常的运输条件,几乎所有产品在研发阶段都要进行机械环境测试,例如冲击和振动实验。鉴于可移动核磁共振成像仪的特殊工作条件,它的振动测试条件就会比一般核磁共振成像仪要严格和苛刻。根据医疗行业对于可移动产品的可靠性要求,这款特殊的成像仪需要在下x,y,z轴各100小时,总共需要300小时的振动后仍然可以正常使用。

    但是有一个承重托盘,在经过300小时的振动后发生了断裂,反应断裂情况的图片见图1。为了为了找到发生断裂的根本原因,先借助有限元分析工具对整个承重托盘进行了受力分析。

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    图1 断裂的承重托盘

1 有限元结构静态分析

    根据振动测试条件,建立起承重托盘的子系统有限元模型,见图2。定义边界条件:托盘和机柜链接的四个螺栓连接面被固定,考虑重力条件下,承重托盘在托盘中所有子部件的压力条件下产生的应力,见图3。仿真结果告诉我们,静止状态时托盘上的应力为77兆帕。且有限元仿真结果中的大应力区域和振动后的断裂区域完全一致。

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2 有限元随机振动仿真

    在做随机振动前,先做了模态仿真,模态仿真时的约束条件和静态仿真时相同:四个相连的螺栓连接面被固定。模态仿真结果见图4。这里仅提取出这个系统的前六阶模态结果。从模态仿真结果可以看出:一阶模态对应的振动状况刚好是整个托盘的悬空部分在做垂直方向的振动。在模态分析的基础上,根据对于可移动产品随机振动时的振动要求,输入随机振动加速度谱密度。图5给出了可移动产品随机振动实验的加速度谱密度要求。

3 振动疲劳寿命分析

    三个振动方向的随机振动仿真结果分别给出了3个应力值(1σ,2σ和3σ应力值)。不同方向的不同应力值表1。这些不同的应力值都代表什么含义?还有,这些不同的应力值和我们所关心的产品振动寿命之间有什么关系?对于第一个问题,以表1中垂直方向随机振动产生的3σ应力值为21.78兆帕例,它表示对于这个承重托盘,在做垂直方向的随机振动实验时,在托盘上产生的有效应力值比21.78兆帕小的置信度为3σ他就是99.97%)。第二个问题的答案跟随机振动的一个重要特性有关。

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    许多随机过程都满足高斯正太分布。基于随机振动的这个重要特性,我们可以搭建起瞬时加速度的发生频率和等效应力至之间的关系:使承重托盘产生的等效应力值在±1σ之间的瞬时加速度发生的概率为68.27%,以此类推,使承重托盘产生的等效应力值在±2σ之间的瞬时加速度发生的概率为95.4%,使承重托盘产生的等效应力值在±3σ之间的瞬时加速度发生的概率为99.73%。瞬时加速度的发生频率和它使承重托盘产生的等效应力值之间的关系见图6。怎么去理解和应用这个对应关系呢?

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    图6 瞬时加速度的发生频率和等效应力值之间的关系

责任编辑:张纯子
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