使用DesignLife进行虚拟振动测试

振动测试是评估结构在随机振动环境下疲劳寿命的重要手段。在产品开发中，物理振动台测试成本高、周期长。DesignLife 的振动疲劳分析能力使我们能够在虚拟环境中模拟 PSD（功率谱密度）或扫频正弦加载下的振动测试，大大降低测试成本并加速设计迭代。

本节将通过三个循序渐进的实例来讲解虚拟振动测试：单轴 PSD 振动测试、三轴顺序振动测试，以及三轴同时振动测试。振动分析除了 PSD 加载外，还需要来自 FE 的频率响应函数（FRF），即在不同频率下由单位载荷驱动的实部和虚部应力。

第一部分：缺口板单轴 PSD 振动测试

本例将对一个缺口板试件进行简单的 PSD 振动测试模拟。试件几何和测试数据由 Thales Group 提供。文件位于 \demo\designlife\10_Vibration\ 目录下。

创建基本振动疲劳分析流程

步骤1　拖放 frequency_response_specimen.op2 到工作区创建 FE Input glyph。模型为一个带收腰段的板试件，左端夹持，右端在 Z 方向施加随机加速度激励。

步骤2　拖放 testpsd.csv 创建 MultiColumn Input glyph，连接 Data Values Display 和 XY Display glyph，点击 Run。在 XY Display 中使用工具栏图标制作对数-对数图。

振动输入为随机加速度加载，PSD 从 10 Hz 处的 3.6 (m/s^2)^2/Hz 上升到 25 Hz 处的 36 (m/s^2)^2/Hz，然后在 1000 Hz 之前保持恒定。

步骤3　从 DesignLife 面板拖出 Vibration CAE Fatigue glyph，连接到 FE Input 和 MultiColumn Input glyph。Vibration CAE Fatigue glyph 有两个 FE 输入端口（上为 FRF，下为静态偏移载荷）和两个 PSD 输入端口（上为多列输入，下为直方图输入），以及两个输出端口。

步骤4　添加并连接 FE Display 和 Data Values Display glyph。

配置与运行

步骤1　右键 Vibration Analysis glyph 选择 Edit Material Mapping（点击 Yes 运行流程）。试件材料为铝合金 6082-T6（UTS 350 MPa），标准库中无此材料疲劳属性，需要估算。点击 Generate 按钮，设置：Material Name = 6082_T6_estimate，Dataset Type = Standard SN，UTS = 350 MPa，Material type = Aluminium，Standard error of log(N) = 0。

步骤2　将生成的材料拖放到 Default Material 行，点击 OK。

步骤3　选择 Edit Load Mapping，在 FRF 选项卡中将 1-PSD Acceleration 拖到 Load Case 1。点击 OK。

步骤4　右键选择 Properties，设置以下属性：AnalysisGroup_ShellLayer = Top，AnalysisGroup_SolutionLocation = Element，AnalysisGroup_StressUnits = Pa，SNEngine_CombinationMethod = AbsMaxPrincipal。点击 OK 并运行。

结果查看与测试对标

步骤1　右键 FE Display glyph 选择 Properties，在 Results Legend 中点击 Max.Min. 按钮，设 Min Value 为 1E-10，点击 Apply。

步骤2　展开 DataValuesDisplay2 glyph，点击 Column 12 按计算寿命排序。预测寿命为 3773 repeats（1 repeat = 1 秒 ExposureDuration）。

将 ExposureDuration 改为 3600s 后，最大预期应力为 326 MPa，接近但低于材料 UTS。设置 CheckStaticFailure = True 重新运行，预测寿命变为 1990 repeats。

七个试件的物理振动台测试结果（秒）：1620、1020、1560、1560、1800、1860、2100。仿真结果与实验数据高度吻合。

带静态应力偏移的振动分析

基本振动分析产生零平均应力的应力循环。如果构件因制造或装配方式存在已知平均应力，可以通过静态偏移载荷工况纳入计算。打开 vibration_process_WithStaticOffset.flo，将 FRF 和静态偏移文件分别连接到对应端口。

在 Advanced Edit 中可以看到两个 FE Import Results Set（FRF 和静态偏移），VibrationOffset 属性为 True。SNEngine 的 MeanStressCorrection 已设为 Goodman 以考虑平均应力影响。

第二部分：三轴顺序 PSD 振动测试

本例模拟按 MIL-STD-810F 标准对安装支架进行的三轴顺序 PSD 振动测试，模拟美国公路卡车振动环境。先激励 X 轴，然后 Y 轴，最后 Z 轴，这是大多数电动振动台仅能单轴激励的实际情况。

步骤1　打开 vibration_dutycyle_pt1.flo，拖放 mounting_bracket_random.op2 到工作区。

步骤2　从 Input 面板拖出 Vibration Generator glyph，重命名为 VibrationGenerator_Zaxis。在 Properties 中添加三行数据：10 Hz / 0.015 g^2/Hz，40 Hz / 0.015 g^2/Hz，500 Hz / 0.00015 g^2/Hz。

步骤3　拖出 Vibration CAE Fatigue glyph，连接 FEInput。右键选择 Advanced Edit，在 Loading 中将 Loading Type 设为 Duty Cycle。添加三个 Vibration Load Provider，分别重命名为 x_axis_load、y_axis_load、z_axis_load，并各自添加 Histogram Input。

步骤4　设置重复次数：x_axis_load = 900，y_axis_load = 900，z_axis_load = 1800（代表 900 秒 X 轴 + 900 秒 Y 轴 + 1800 秒 Z 轴 = 共 1 小时）。

步骤5　连接 Vibration Generator 到正确的端口，再次 Advanced Edit 进行载荷映射。为每个轴的 Load Case 分配对应的 PSD。

步骤6　Edit Material Mapping 中分配 AL_ALLOY_UML_UTS400 到 Default Material。设 SNEngine_CombinationMethod = AbsMaxPrincipal。

步骤7　连接 FE Display 和 Data Values Display，添加 Hot Spot Detection Glyph，保存并运行。

结果显示损伤最高的节点为 957，热点列表显示前 10 个损伤最大区域。由于重复次数代表 1 小时的顺序激励，结果表示 1 小时内的损伤。

第三部分：三轴同时 PSD 振动测试

本例使用 Cross Power Spectrum（交叉功率谱）技术，同时激励 X、Y、Z 三轴，模拟真实世界的同时多轴激励。需要两个流程：第一个流程将时域数据转换为频域，第二个流程进行疲劳分析。

步骤1　打开 Cross_PSD.flo，加载 3Axis_Acc.s3t。该流程包含 Cross Power Spectral Density Matrix SuperGlyph，创建交叉谱输入文件。

步骤2　运行第一个流程，生成频域文件和 .mpl 载荷映射文件。

步骤3　打开 Vibration_CPSD.flo，加载 FE 模型。Edit Load Mapping 中选择 Interactive，浏览选择生成的 .mpl 文件。分配 Al_Alloy_UML_UTS400 材料，运行流程。

DataValuesDisplay 显示最损伤节点在列表顶部，寿命单位为秒，表示构件在三轴同时激励下的预测持续时间。

✅ 掌握了 PSD 振动疲劳分析的完整流程

✅ 学会了单轴、顺序多轴和同时多轴振动测试的模拟方法

✅ 了解了 Cross Power Spectrum 技术和静态应力偏移的应用