應用NX Nastran / Femap with NX Nastran進行隨機振動分析 (Random vibration)
過去CAE分析工程師在進行”隨機震動分析” (Random vibration) 類型的題目時，常常面臨難以精確評估分析結果的難題，大部分原因為不理解隨機震動理論與實驗之差異，再加上實務經驗不足，導致難以判斷其分析結果是否合理，透過軟體分析前，必須先理解隨機震動之概念。
下圖為機櫃隨機震動實驗影片(參考自ARTC車輛中心youtube頻道)
隨機震動分析基本概念
基本概念依序由以下(a)->(b)->(c)>(d)進行說明:
(a)隨機震動機台給予模型加載一個隨時間隨機變化的加速度訊號，此時的訊號隨機雜亂，難以解讀。
(b)此時透過傅立葉轉換將此訊號轉換為隨頻率變化加速度之訊號，可以觀察此訊號的強度及規律性，也就是規範內常見的頻譜密度(PSD)。
(c)輸入軟體計算，可以得到每一頻率下模型之分析結果，常見的輸出類型有加速度、等效應力及變形量。
(d)在後處理可以觀察到特定頻率下的輸出結果。
值得注意的是，此時計算出的分析結果為常態分佈平均數左右一個標準差1σ的範圍內，也就代表68%的情況下，會落在這個分析結果。
一般震動分析如ANSYS、Abaqus、Solidworks等結構分析軟體，計算完成後皆為顯示常態分佈平均數左右一個標準差1σ之結果，在後處理軟體的使用上，若要顯示為常態分佈平均數左右三個標準差3σ時可能需要手動寫入函數進行切換，將大幅度降低工作效率。
由於NX Nastran為在振動分析上廣泛被各個領域應用，且比一般軟體有悠久的發展歷史，在這類型的題型有完善的後處理功能，透過西門子最新的Simcenter 3D及或是Femap針對結果進行後處理分析，可以觀察到常態分佈平均數左右三個標準差3σ之結果，此時可以觀察到99.7%的情況發生，對於CAE工程師來說，是提升效率的良好工具。
以機櫃隨機震動分析來看，在平均數左右三個標準差3σ的範圍內已經可以觀察到99.7%的情況發生，此時可以直接觀察到其破壞情況，並進行設計調整。
伺服器機櫃於隨機震動實際應用案例分享
緯創資通大量應用FEMAP with NX Nastran 於伺服器/機櫃隨機震動的模擬分析，並於合研科技研討會分享其成功案例，透過模擬分析找到設計的問題，並利用軟體改善設計，有興趣的朋友可以點選連結下載其應用。
下載成功案例連結:緯創資通伺服器震動分析案例分享。
其他參考資料: Random vibration
想請問您上述所附的報告
1.請問您隨機振動有考慮接觸?一般的隨機振動無法考慮接觸的行為,請問如何確認接觸行為是否會影響結果?
2.針對判斷會有風險的地方,是否是用材料參數(ex 降伏應力或是斷裂應力?),來確認此區應力是否會超過材料特性,顯示的只有相對應力大的地方(也就是圖上顯示紅色的區域),但沒有顯示數值,僅只用相對大的來當作風險評估的地方,若是都低於降伏應力或是斷裂應力,也是判斷會有問題?
3.通常隨機振動問題,是否應該直接考慮疲勞(考慮SN,時間參數,累積損傷)才是能知道最後真正是否斷裂?
4.由於振動傳遞會經過路徑傳遞有所改變,我看您是給予震動平台的頻譜當作系統input,是否應該是實際量測在模型中的邊界處的PSD,這樣比較和真實狀況一樣?
Hi Benson
1.Nastran的震動可以考慮接觸行為，報告內的結果是已經考慮了接觸情況的分析結果。
2.判斷模型是否有風險的標準是透過材料是否達到降服強度來判斷，一般來說可以透過降服強度計算安全係數來判定，報告內的數值皆是安全係數已低於標準，並且與實驗詳細比對過，由於緯創於合研研討會發表時篇幅有限，僅輸出關鍵圖片於報告內容。
3.現有技術及軟體功能確實可以透過SN曲線進行疲勞分析計算得知產品是否發生破壞，Nastran也有這方面的功能可以計算使用，不過此份報告主要目標為在短時間內提升產品強度、改善不良設計，並透過緯創分析部門豐富的經驗簡化分析流程，目前僅需計算出安全係數即可判定並改善設計。
4.一般分析工程師設定隨機振動input皆是比照輸入實驗機台的PSD頻譜進行設定，如果實驗中震動情況會隨著路徑傳遞有所改變，模擬中亦然。
如果針對以上留言有任何問題，歡迎您來電合研科技討論！
hi Joe
感謝您的回答
不過針對您的回答我有一些疑問
1. 接觸狀態的(非線性)模態分析,或是非線性的隨機振動,想請問是nastran的sol多少?
2/3. 所謂安全係數是否可以提供或是建議? 一般好像是用模擬結果3σ的合成應力結果須小於材料ys的一半?
4. 我的意思是在做這樣的振動分析,由於緯創提供的照片和資料,從振動台往上到包材到機櫃才到系統,請問這個報告中的模擬有把相關包材和機櫃建出來嗎?如果沒有就像您說由於振動會隨傳遞路徑改變,所以在只有系統的model下受到的振動很明顯不會與input相同,所以不應該是輸入振動源,所以我才再問說是否應該做量測,當作系統model的input.不然這樣就是不符合真實.
Hi Benson
1.在Nastran分析震動類的接觸是屬於線性接觸計算，在SOL103裡面可以設定，後續再進行隨機振動即可。
2/3.一般來說安全係數會由工程師的經驗決定，各個公司定義的方法皆不相同，普遍來說隨機振動的結果是可以用您提到的3σ的合成應力結果須小於材料ys的一半。
4.我們在作震動類型的分析時，相關包材、機櫃及治具都會建模（通常是治具較多），因為那些都會有各自的頻率去影響分析結果，所以通常不會再多做量測。