Simcenter 3D结构可靠性评估之——冲击响应分析
什么(me)是冲击响应？
冲(chong)击(ji)响(xiang)(xiang)(xiang)应(ying)是一种持续时(shi)(shi)间很短(duan)的(de)瞬态(tai)现象，可能(neng)导(dao)致零(ling)件出现故障、产生应(ying)力断裂，在某些情(qing)况下甚至破碎(sui)。机械冲(chong)击(ji)的(de)例(li)子(zi)包括跌落(luo)冲(chong)击(ji)、地震(zhen)和火工(gong)品爆炸冲(chong)击(ji)。结构工(gong)程师(shi)必须设计出能(neng)够(gou)承受冲(chong)击(ji)并防(fang)止过(guo)度振(zhen)动产生过(guo)载的(de)应(ying)力水平的(de)产品。他(ta)们用“瞬态(tai)响(xiang)(xiang)(xiang)应(ying)分(fen)析”来分(fen)析冲(chong)击(ji)的(de)过(guo)程，计算强迫动力响(xiang)(xiang)(xiang)应(ying)，以确定(ding)结构在受到时(shi)(shi)变(bian)激励(li)时(shi)(shi)的(de)行为。
举一个例子，结构(gou)工(gong)程(cheng)师接到任务(wu)，设(she)计(ji)一个可以(yi)(yi)安装(zhuang)构(gou)件(jian)(jian)的结构(gou)。例如，可以(yi)(yi)在(zai)其上(shang)安装(zhuang)电子组件(jian)(jian)的电子机箱结构(gou)的设(she)计(ji)。结构(gou)工(gong)程(cheng)师现在(zai)必须处理基础(chu)结构(gou)（在(zai)这(zhei)种情况下是底(di)座）和部件(jian)(jian)，以(yi)(yi)承受冲击。从事这(zhei)类任务(wu)的工(gong)程(cheng)师通(tong)常可以(yi)(yi)对底(di)座和安装(zhuang)在(zai)底(di)座上(shang)的组件(jian)(jian)进行设(she)计(ji)更改。
正在准备(bei)进行冲击试验的航天(tian)器(qi)
采用瞬态分析的冲击响应设计评估方法
假设冲(chong)(chong)击通过(guo)(guo)基(ji)础结(jie)构传(chuan)递是(shi)合理(li)的(de)，因(yin)此(ci)，工(gong)程(cheng)师(shi)(shi)将首先关注基(ji)础结(jie)构的(de)设计。为了复现(xian)冲(chong)(chong)击事(shi)件，工(gong)程(cheng)师(shi)(shi)需要定(ding)义冲(chong)(chong)击的(de)加速度(du)曲线(xian)。为了获取这些(xie)信息(xi)，工(gong)程(cheng)师(shi)(shi)通过(guo)(guo)测(ce)量(liang)获得(de)冲(chong)(chong)击事(shi)件的(de)加速度(du)时间(jian)历程(cheng)，或者，如果这不可能，他使用经典的(de)脉(mai)冲(chong)(chong)基(ji)输入，例(li)如正弦脉(mai)冲(chong)(chong)来模(mo)(mo)拟冲(chong)(chong)击载荷。他现(xian)在(zai)有了一(yi)个脉(mai)冲(chong)(chong)信号，但没有什么可应用的(de)，所以(yi)他的(de)下一(yi)步是(shi)建立基(ji)础结(jie)构的(de)有限元模(mo)(mo)型。然而，由于要安(an)装的(de)组(zu)件要么未知，要么仍在(zai)开发中(zhong)，他不得(de)不在(zai)模(mo)(mo)型中(zhong)使用组(zu)件的(de)理(li)想化版本。
用于冲(chong)击(ji)响应研究的模拟冲(chong)击(ji)载(zai)荷的经(jing)典(dian)脉冲(chong)基输(shu)入
一(yi)旦工程(cheng)师建立(li)了有限(xian)元模型，他(ta)就可以应(ying)(ying)(ying)用加(jia)(jia)速(su)度(du)(du)时程(cheng)，计算各种(zhong)应(ying)(ying)(ying)力(li)和加(jia)(jia)速(su)度(du)(du)响(xiang)应(ying)(ying)(ying)，包括部件连接点的应(ying)(ying)(ying)力(li)和加(jia)(jia)速(su)响(xiang)应(ying)(ying)(ying)。根据(ju)这些响(xiang)应(ying)(ying)(ying)，他(ta)可以通过检查von Mises应(ying)(ying)(ying)力(li)是否(fou)在极限(xian)范(fan)围(wei)内来确定基础结构是否(fou)能(neng)够承受冲击。他(ta)的第一(yi)个设(she)计不(bu)成功对他(ta)来说并不(bu)奇怪。毕(bi)竟，他(ta)必须考虑(lv)各种(zhong)强(qiang)加(jia)(jia)的设(she)计要求。
拥(yong)有Simcenter 3D等高(gao)级软件的工(gong)程(cheng)师可(ke)以像研究人员(yuan)一样处理问题(ti)。在这种情(qing)况下，他(ta)们(men)将使用HEEDS创建一个(ge)实(shi)验设(she)(she)计（DoE）分(fen)析(xi)，该分(fen)析(xi)将运行他(ta)们(men)的模拟数(shu)百甚(shen)至数(shu)千次，通(tong)过调整参(can)数(shu)，直(zhi)到(dao)(dao)(dao)他(ta)们(men)找到(dao)(dao)(dao)最佳设(she)(she)计。然(ran)而，这样的实(shi)验在模拟时(shi)(shi)间和计算机资源(yuan)方面是昂贵的。在这种情(qing)况下，当我们(men)需要大型(xing)复杂的有限元(yuan)模型(xing)时(shi)(shi)，资源(yuan)成本极高(gao)，需要数(shu)小时(shi)(shi)、数(shu)天甚(shen)至更长的时(shi)(shi)间才能找到(dao)(dao)(dao)最佳设(she)(she)计。
一旦(dan)工(gong)程(cheng)师找(zhao)到了最佳设计，他就会(hui)收到新(xin)的(de)设计版(ban)本。由于此处的(de)主要目的(de)是(shi)(shi)设计允许振(zhen)动而不(bu)会(hui)损坏安装在其上的(de)部(bu)件(jian)的(de)底座。工(gong)程(cheng)师将重新(xin)进行(xing)有(you)限元模型的(de)瞬态(tai)(tai)响(xiang)(xiang)应分(fen)析(xi)，并获(huo)得(de)部(bu)件(jian)连接位置的(de)响(xiang)(xiang)应。工(gong)程(cheng)师比(bi)较设计变更前后的(de)瞬态(tai)(tai)响(xiang)(xiang)应是(shi)(shi)很自然(ran)的(de)。然(ran)而，如果(guo)没有(you)建模的(de)实际组件(jian)，工(gong)程(cheng)师不(bu)能仅通过查看生成(cheng)的(de)新(xin)响(xiang)(xiang)应曲线来确定它(ta)是(shi)(shi)否比(bi)基线结果(guo)（在更改之前获(huo)得(de)）更好或更差。
对于基础结构(gou)和(he)部件的(de)每次设计变(bian)更，工(gong)程师必(bi)须(xu)重新运(yun)行(xing)其计算(suan)机密集(ji)型分析过程。工(gong)程师还必(bi)须(xu)考(kao)虑(lv)他以前不(bu)知道的(de)冲击(ji)，如(ru)地震或火工(gong)品(pin)爆炸冲击(ji)。因(yin)此，必(bi)须(xu)为(wei)各种幅(fu)值和(he)时间脉(mai)冲建(jian)立初始基线运(yun)行(xing)，以获得响(xiang)应的(de)包(bao)络。
冲击响应谱分析的应用
由(you)于瞬态分(fen)(fen)析(xi)费用(yong)高昂，工(gong)(gong)(gong)程师别无选(xuan)择(ze)，只能(neng)探(tan)索频率(lv)或(huo)谐波响(xiang)应(ying)分(fen)(fen)析(xi)。他需要使用(yong)快速傅立叶变(bian)换(huan)将时(shi)间(jian)信号转换(huan)到(dao)频域。频域分(fen)(fen)析(xi)的(de)成本(ben)显著低(di)于瞬态分(fen)(fen)析(xi)。然而，频域分(fen)(fen)析(xi)也有其局限(xian)性(xing)。例如(ru)，如(ru)果在指定(ding)频率(lv)下(xia)出现(xian)振幅变(bian)化，而不(bu)是(shi)(shi)设(she)计的(de)频率(lv)，会发生什么？产品会有故障的(de)风险吗？工(gong)(gong)(gong)程师可(ke)以探(tan)索的(de)另一种(zhong)选(xuan)择(ze)是(shi)(shi)将时(shi)间(jian)信号转换(huan)为(wei)激(ji)励(li)的(de)功率(lv)谱密度（PSD）。这同(tong)样具(ju)有挑(tiao)战(zhan)性(xing)，因为(wei)工(gong)(gong)(gong)程师不(bu)知(zhi)道进行平均(jun)的(de)持续时(shi)间(jian)或(huo)样本(ben)。也就(jiu)是(shi)(shi)说，这里的(de)挑(tiao)战(zhan)是(shi)(shi)励(li)磁的(de)未知(zhi)性(xing)和不(bu)确定(ding)性(xing)。
用于冲击响(xiang)应(ying)分析的(de)可能(neng)加速计位置
传统方法的(de)挑战在于，它们需要了解组(zu)件(jian)的(de)通用动态(tai)特性，即可能(neng)安装(zhuang)在基础结构上的(de)组(zu)件(jian)的(de)共(gong)振频率(lv)。如果没有(you)这些信息，就很难预测构件(jian)对(dui)基础结构冲击事件(jian)的(de)响应。
根据冲(chong)击响(xiang)应谱(pu)，安装在底座上的(de)(de)部件(jian)被(bei)单自由度弹簧质量(liang)系(xi)统(tong)取代。我(wo)(wo)们使用足够数量(liang)的(de)(de)弹簧质量(liang)系(xi)统(tong)来覆盖感兴趣的(de)(de)整个(ge)频(pin)率(lv)范围。也(ye)就(jiu)是(shi)说，相当(dang)于安装数千个(ge)弹簧质量(liang)系(xi)统(tong)来模拟可(ke)能的(de)(de)组件(jian)谐振(zhen)频(pin)率(lv)。当(dang)底座受到冲(chong)击时(shi)，每个(ge)振(zhen)荡(dang)器(qi)都会以特(te)定的(de)(de)振(zhen)幅作为(wei)时(shi)间的(de)(de)函(han)数振(zhen)动(dong)。从工程师的(de)(de)角(jiao)度来看，目标是(shi)设计一个(ge)部件(jian)以防(fang)发生(sheng)故障。很容易关注(zhu)每个(ge)弹簧质量(liang)系(xi)统(tong)的(de)(de)峰值（响(xiang)应的(de)(de)绝对最大值）。如(ru)果我(wo)(wo)们在x轴(zhou)上绘(hui)制振(zhen)荡(dang)器(qi)谐振(zhen)频(pin)率(lv)，在y轴(zhou)上绘(hui)制振(zhen)幅，我(wo)(wo)们可(ke)以找到冲(chong)击响(xiang)应谱(pu)。
冲击响(xiang)应谱建模(mo)
本(ben)质上，瞬(shun)态信号被(bei)转换(huan)到(dao)频域(yu)。为了(le)评估设(she)计，我们(men)可(ke)以将一(yi)个新(xin)的(de)或(huo)一(yi)组(zu)(zu)新(xin)的(de)组(zu)(zu)件安(an)装(zhuang)到(dao)相同(tong)的(de)基座位置，并使用相同(tong)的(de)冲击响应(ying)谱（SRS）包络。对于(yu)给(ji)定的(de)基础(chu)结构或(huo)冲击瞬(shun)态，SRS不(bu)会发生变化。我们(men)可(ke)以很容易地比较两条冲击设(she)计曲(qu)(qu)线，因(yin)为它们(men)只是(shi)反映了(le)安(an)装(zhuang)在基础(chu)结构上的(de)谐振(zhen)(zhen)器的(de)最大可(ke)能(neng)振(zhen)(zhen)幅。在这(zhei)种情况下，工程师(shi)可(ke)以简单地使用两条曲(qu)(qu)线的(de)包络线来设(she)计振(zhen)(zhen)动(dong)安(an)全部件。
有(you)了这些信息，工程师(shi)现在可(ke)以(yi)独立于构(gou)(gou)件(jian)将构(gou)(gou)件(jian)设计(ji)与基础(chu)结构(gou)(gou)设计(ji)解(jie)耦(ou)。如果他只有(you)可(ke)用的历史(shi)数(shu)据，例如，从几个地区的各种地震中(zhong)获得的地震数(shu)据，他可(ke)以(yi)简单地使用SRS曲线的包络。
基(ji)础与组件设(she)计解耦
Simcenter 3D中的冲击响应谱分析
结构工(gong)程师不(bu)必(bi)为(wei)创(chuang)建SRS数(shu)据而烦(fan)恼。Simcenter 3D使SRS数(shu)据生成(cheng)任务变得非常容易(yi)。可(ke)以从“响应动力学”工(gong)具栏访问此操作(zuo)的用户界面（UI）。
工程师可(ke)以(yi)将冲击(ji)函数(shu)瞬(shun)态数(shu)据(ju)作为原始数(shu)据(ju)或(huo)电子(zi)表(biao)格形式(shi)输(shu)入(ru)。然后(hou)，他(ta)可(ke)以(yi)使用存(cun)储(chu)的函数(shu)作为“时(shi)间到SRS转换”工具包的输(shu)入(ru)。此(ci)外，设计者(zhe)可(ke)以(yi)根(gen)据(ju)需(xu)要创建正最(zui)大值(zhi)、负最(zui)大值(zhi)或(huo)绝(jue)对(dui)最(zui)大值(zhi)的频谱。
时间到(dao)SRS转(zhuan)换输入界面(mian)
根据瞬(shun)态冲击数据生成(cheng)冲击响(xiang)应谱是确定部件是否(fou)能够承受振动和应力(li)的第一步(bu)。
工(gong)程(cheng)(cheng)师现在可(ke)以使用安装在底座上的(de)部件的(de)有限元模型(xing)。第一步是计(ji)算(suan)组件的(de)模态(tai)。每个模态(tai)的(de)贡献是与固有频率相(xiang)对应(ying)的(de)位移值(zhi)（从加速度SRS转换为位移SRS）和(he)模态(tai)参(can)与因子(zi)的(de)乘积。缩(suo)放(fang)后的(de)模态(tai)必须进行(xing)组合，以获得总(zong)响应(ying)。使用总(zong)响应(ying)，结构工(gong)程(cheng)(cheng)师可(ke)以查看(kan)von Mises应(ying)力(li)是否(fou)足够(gou)高(gao)，足以产生屈服或(huo)断裂。在一些设计(ji)等应(ying)用中，安装支架的(de)总(zong)加速度不超过允许(xu)极(ji)限也很重要。
冲击响应及其谱域
根据相关(guan)标准选(xuan)择模(mo)态组合方(fang)法需要对冲击(ji)谱中的(de)区(qu)(qu)域(yu)有一点(dian)了解。通(tong)常，我们将(jiang)谱划分为3个不同的(de)区(qu)(qu)域(yu)，如下图所(suo)示(shi)：
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频率(lv)低于fSP。在(zai)(zai)这些频率(lv)下，响应通常与(yu)输入(ru)瞬态冲(chong)击异相。在(zai)(zai)该区域，ABS、SRSS、NRC、NRC双和(he)、百分之十(shi)、分组、Rosenblueth双和(he)和(he)和(he)求和(he)方(fang)法适用(yong)。
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频率高于(yu)fZPA。该(gai)区(qu)域的(de)(de)特征(zheng)是响应(ying)与激励同相。在该(gai)区(qu)域中，响应(ying)只是质(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)乘积，即不(bu)参与模(mo)态响应(ying)的(de)(de)质(zhi)量(liang)(liang)（缺失质(zhi)量(liang)(liang)）和零周期加速度（ZPA）
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fSP以下(xia)和(he)fZPA以上的频率这是异相(xiang)(xiang)和(he)同相(xiang)(xiang)响应(ying)之间的过渡区域(yu)。使用(yong)Gupta和(he)Lindley-Yow组合方(fang)法(fa)等特殊方(fang)法(fa)来计算模态响应(ying)
加速度频谱与频率
总之，为了设计不(bu)超过振动水(shui)平(ping)和(he)应力水(shui)平(ping)的部(bu)件，工(gong)程(cheng)师只需要SRS数(shu)据和(he)部(bu)件的有限(xian)元模型。这些数(shu)据通常(chang)可供工(gong)程(cheng)师使用(yong)。然而，当不(bu)提(ti)供它(ta)时，可以容易地生成它(ta)。考(kao)虑到SRS数(shu)据和(he)特定(ding)应用(yong)需求，工(gong)程(cheng)师可以使用(yong)其(qi)中一种(zhong)组合方法来计算响应。
响应谱分(fen)析(xi)的(de)计(ji)(ji)算(suan)时间比全(quan)瞬(shun)态(tai)(tai)分(fen)析(xi)的(de)计(ji)(ji)算(suan)量小一个数量级。当组件被修改或重新(xin)(xin)设计(ji)(ji)时，工程师只(zhi)需用(yong)新(xin)(xin)版本(ben)替换有(you)限(xian)元模(mo)型，计(ji)(ji)算(suan)一组新(xin)(xin)的(de)模(mo)态(tai)(tai)及其模(mo)态(tai)(tai)参与因(yin)子。根据这(zhei)些结(jie)果，他可以计(ji)(ji)算(suan)出(chu)新(xin)(xin)的(de)响应。现在(zai)，他可以用(yong)一个完整瞬(shun)态(tai)(tai)分(fen)析(xi)的(de)计(ji)(ji)算(suan)成(cheng)本(ben)的(de)一小部分(fen)来完成(cheng)多(duo)次修正的(de)分(fen)析(xi)。
响应谱分析设置
Simcenter 3D为工程(cheng)师(shi)提供了进行设计分(fen)析所需的工具。工程(cheng)师(shi)可(ke)以(yi)先在(zai)Simcenter 3D中(zhong)构建拓扑或几(ji)何图形，然后(hou)对零部(bu)件(jian)(jian)(jian)进行网(wang)格划分(fen)。使用同步建模技术设计，我们(men)可(ke)以(yi)轻(qing)松地进行更改(gai)（例(li)如(ru)：添加肋、取消孔的特征和其他属(shu)性）。设计更改(gai)会触发网(wang)格、载(zai)荷和边界条件(jian)(jian)(jian)的自动更新。如(ru)果我们(men)在(zai)底座上安装(zhuang)多个(ge)(ge)零部(bu)件(jian)(jian)(jian)，工程(cheng)师(shi)可(ke)以(yi)使用Simcenter 3D中(zhong)的装(zhuang)配(pei)建模。有了这个(ge)(ge)工具，他可(ke)以(yi)组装(zhuang)各(ge)种部(bu)件(jian)(jian)(jian)。如(ru)果模型(xing)来自供应商(shang)或承包商(shang)，Simcenter 3D允(yun)许工程(cheng)师(shi)更换CAD组件(jian)(jian)(jian)或有限元模型(xing)。
工程(cheng)师(shi)可以很容易地设(she)置“响(xiang)应谱”求解方案(an)，如图所示。工程(cheng)师(shi)可以定义(yi)部件模(mo)(mo)型需(xu)要计算的模(mo)(mo)模(mo)(mo)态数量，或者定义(yi)计算模(mo)(mo)式的频率范围(wei)。
然后将冲击响(xiang)应谱指定为强制振动载荷，如下所示(shi)。结构工程(cheng)师可以确定冲击的位置和方向(xiang)。激励可以在一个(ge)(ge)或(huo)多个(ge)(ge)位置和一个(ge)(ge)或(huo)更(geng)多个(ge)(ge)方向(xiang)上定义。
响应谱输入界(jie)面
Simcenter 3D使工程师(shi)可(ke)以轻松选择各(ge)种模态组合选项(xiang)。如果SRS的规格在多(duo)个位置和/或方向，工程师(shi)可(ke)以从不(bu)同的多(duo)频谱组合方法(fa)中进行选择，以计算响应。
响应谱选项
结果查看
工程师可(ke)以(yi)(yi)(yi)在后处理任务中(zhong)可(ke)视化(hua)响应(ying)谱分(fen)析(xi)的结果。这种可(ke)视化(hua)帮(bang)助他定位(wei)设计中(zhong)需要注意的热(re)点。下图显示了承(cheng)受冲(chong)击载(zai)荷的电子(zi)元(yuan)件的von Mises 应(ying)力。这样的输出可(ke)以(yi)(yi)(yi)帮(bang)助工程师快速放大到需要更改设计以(yi)(yi)(yi)补偿振动冲(chong)击的位(wei)置。
冲击响应分析总结
工程(cheng)师可使用响应谱(pu)分(fen)析(xi)方法来(lai)设(she)计(ji)其部(bu)件以承(cheng)受振动冲击。Simcenter 3D的易用性使这一过程(cheng)中的设(she)计(ji)更(geng)改变得(de)更(geng)加容易。工程(cheng)师现在(zai)可以使用冲击谱(pu)分(fen)析(xi)来(lai)更(geng)快地迭(die)代(dai)设(she)计(ji)变更(geng)，而不是与之相关的设(she)计(ji)不确定性的完整瞬态分(fen)析(xi)。这使得(de)能够以降(jiang)低的计(ji)算成本进行快速原型设(she)计(ji)。
