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承重托盘振动疲劳探究(二)

2017/12/8    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。

    以垂直方向的随机振动为例,考虑最不利的情况。在100小时的随机振动过程中,其中有68.27小时会在承重托盘上产生7.26MPa的等效应力,有27.1小时会在承重托盘上产生14.25MPa的等效应力,有4.3小时会在承重托盘上产生21.78MPa的等效应力。对应关系见表2。

    表2 垂直方向的随机振动中,托盘上的有效应力与该应力发生的概率

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    怎么知道这个承重托盘是否满足我们的振动实验要求呢?将振动的应力幅值与疲劳结合起来,以垂直方向上的随机振动产生的3σ等效应力为例,21.78MPa的等效应力可以看作是疲劳振动时的应力幅,静止状态下,重力产生的应力值77MPa可以被看作是疲劳振动时应力的平均值,查得承重托盘所用材料的屈服应力(140MPa),就可以根据Goodman直线公式求得能在疲劳寿命S-N曲线中使用的应力幅值S-1,再根据疲劳寿命S-N曲线(没有S-N疲劳寿命曲线时,可以根据经验公式F2求得),就可以得到这个承重托盘在这个应力状态下的疲劳寿命N。而100小时的振动过程中,有4.3小时会在承重托盘上产生21.78MPa的等效应力,根据共振频率就可以算出满足振动实验要求的疲劳寿命n。于是可以根据Miner法则并考虑不同应力值得发生概率,利用公式F3和F4求出只在垂直方向做随机振动后的累积损伤比D。同理可以得到经过300小时的随机振动后整个承重托盘的累积损伤比“totalD”。计算过程及结果参见表3。

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    从表3我们可以发现,虽然100小时中仅仅只有4.3小时在承重托盘上产生达到21.78MPa的应力,但是主要损伤还是由3σ应力造成。由3σ应力造成的损伤是2σ应力造成的损伤的2倍还要多,而2σ应力在承重托盘上作用的时间大约为27.1小时。在这个系统中,经过300小时的随机振动后,总的累计损伤比大约为0.8。实际工程应用中,考虑零件的重要性,又因为Miner累计损伤比没有考虑加载顺序,所以一般建议总累计损伤比不大于0.5。从分析结果可以看出,我们这个承重托盘的累计损伤比有些偏大,300小时的振动实验后存在断裂风险。实际上的确有断裂发生。

    表3 完成300小时的随机振动后的累计损伤比

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4 承重托盘结构的加强

    想要加强承重托盘,看以看出最简单的方法就是去掉托盘上的长槽。考虑到这个长槽是机柜中很重要的一个通风孔,所以不能被删除。为了不改变目前的工况,我们在托盘的下方增加一个钣金件去加强托盘的强度。改变前的托盘和改变后的托盘结构见图7。对加强后的承重托盘做静态结构计算,得到重力在承重托盘上产生的应力为31MPa。静态结构仿真结果见图8。从模态分析结果可以看到,和一阶模态对应的振动形态已经改变了,对垂直方向的激励非常敏感的固有频率也已经被大大地提高了。模态分析结果见图9。

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    图7 加强前和加强后的托盘结构

责任编辑:张纯子
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