試述支架支撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

張冬

摘要：通過(guò)UG三維仿真計(jì)算找出支撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，再通過(guò)適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方法。

關(guān)鍵詞：支架支撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；UG三維力學(xué)仿真計(jì)算法

所謂支架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，就是用斜支撐，側(cè)支撐等進(jìn)行加強(qiáng)的支架結(jié)構(gòu)，這在地面設(shè)備設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用，如艙段支撐車，支撐架、托架等，不僅是支撐，有的還要經(jīng)得起長(zhǎng)距離的產(chǎn)品運(yùn)輸，如防過(guò)載、顛簸、抗震動(dòng)等。以前的設(shè)計(jì)多是參照老的產(chǎn)品，或是稍加改動(dòng)，或依據(jù)基礎(chǔ)的通用的理論公式去設(shè)計(jì)，去加強(qiáng)，結(jié)果總體強(qiáng)度越來(lái)越富裕，結(jié)構(gòu)越來(lái)越大，久而久之，當(dāng)初的設(shè)計(jì)理念就遺失了，沒有理論支撐了，經(jīng)驗(yàn)也越來(lái)越淡薄了。

現(xiàn)在，我試用UG三維力學(xué)仿真計(jì)算法，進(jìn)行建模并結(jié)合實(shí)際做了運(yùn)算，發(fā)現(xiàn)可以輕易找到支撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)加強(qiáng)，并可獲得到意想不到的效果。

例如，2016年7月初，我接到的關(guān)于設(shè)計(jì)某無(wú)人機(jī)巡展機(jī)架的任務(wù)。任務(wù)要求：（1）機(jī)架要能承受500kg重量。（2）機(jī)架要經(jīng)得起公路運(yùn)輸?shù)母鞣N條件。（3）要有一定的仰角，但只給了一個(gè)機(jī)架參考圖和無(wú)人機(jī)協(xié)調(diào)圖，能否設(shè)計(jì)出強(qiáng)度、剛度足夠，結(jié)構(gòu)又緊湊的機(jī)架，成了完成好此次任務(wù)的關(guān)鍵。

設(shè)計(jì)之初，雖僅有一個(gè)其它機(jī)型的參考支座，如圖1所示。但此機(jī)架僅能承300kg機(jī)體，仰角5°，前支撐高1024mm，而現(xiàn)在要求機(jī)架承力500kg，仰角8.5°，前支撐高1224mm，還要完成運(yùn)輸?shù)囊螅@就需要機(jī)架結(jié)構(gòu)要加高，傾角更大，而且無(wú)論強(qiáng)度，剛度都要求更高 如何進(jìn)行設(shè)計(jì)呢？有的人說(shuō)加粗矩管，有的人說(shuō)改變支撐方式并加包帶，既沒有理論依據(jù)，

又沒有相應(yīng)計(jì)算公式支撐，還沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)來(lái)借鑒，似乎無(wú)從下手。這時(shí)我想到了用三維仿真力學(xué)計(jì)算理論來(lái)設(shè)計(jì)這個(gè)機(jī)架，看看能否設(shè)計(jì)出更合理的結(jié)構(gòu)。

首先，由參考圖分析，此為一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，其支撐的下半部為斜筋加強(qiáng)，是典型的支撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。要想用基礎(chǔ)的或通用的計(jì)算方法很難找到薄弱點(diǎn)，確定最大應(yīng)力值更是無(wú)從下手，憑經(jīng)驗(yàn)則要放大機(jī)構(gòu)，會(huì)增加很多重量，不方便運(yùn)輸和使用。這時(shí)，三維力學(xué)仿真計(jì)算就派上用場(chǎng)了。

據(jù)此想法，我繪制了機(jī)架的UG三維模型，如附圖1 （附圖均見本文后），然后對(duì)前后支架逐一分析。由于篇幅限制，僅對(duì)前支架進(jìn)行分析，為了分析方便，我將其上面支叉部分簡(jiǎn)化為單管，并為其繪制了三維仿真圖（如附圖2）。按支架受向前的力300kg算（2倍過(guò)載，前支撐按力學(xué)分析分配150kg計(jì)），支架的應(yīng)力分布如附圖2所示：中間支撐和支架立柱的上接觸面有應(yīng)力集中（黃色線條區(qū)域），最大應(yīng)力為265.28Mpa，安全系數(shù)1.77，小于設(shè)計(jì)所需的3.5倍的安全系數(shù)，其他地方以藍(lán)色為主，說(shuō)明強(qiáng)度富裕，黃色上部有小片綠色區(qū)域，應(yīng)力不大于130Mpa，安全系數(shù)為3.62，強(qiáng)度足夠。只要加強(qiáng)黃色區(qū)域，就可避免應(yīng)力集中，使安全系數(shù)滿足要求。實(shí)際上加筋板是最好的解決方法，加筋板后的前支撐結(jié)構(gòu)圖如圖2。

前支撐加筋板后的主支撐和斜支撐的應(yīng)力分布圖如附圖3，焊縫處的應(yīng)力明顯減?。☉?yīng)力分布示意圖的

力分布為綠色），應(yīng)力集中由主焊縫

轉(zhuǎn)移到上筋板上的一點(diǎn)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度顯著提高，安全系數(shù)達(dá)3.62。（受向前力作用）

其次，受側(cè)向力150kg（1倍過(guò)載）的情況下，加筋板后的最

大應(yīng)力分布圖如附圖4，最大應(yīng)力集中也轉(zhuǎn)移到了下筋板上的一點(diǎn)，周圍應(yīng)力為黃色區(qū)域，對(duì)應(yīng)應(yīng)力值不大于85Mpa。安全系數(shù)為2.76。

后支撐加筋板后的結(jié)構(gòu)如圖3所示，加筋板后的應(yīng)力分布如附圖5（各受向后175kg力）、附圖6（各受側(cè)向175kg力）所示，最大應(yīng)力集中均位于筋板上的一點(diǎn)，主支撐焊縫受力明顯改善，如附圖5筋板上的最大應(yīng)力分布為綠色區(qū)域，應(yīng)力在上的最大應(yīng)力為黃色區(qū)域，應(yīng)力65Mpa左右，安全系數(shù)3.6，如附圖6筋板不大于60Mpa，安全系數(shù)3.92。

由上可見，加筋板后的機(jī)架受軸向力（前后方向）的安全系數(shù)為3.62、3.6，大于國(guó)軍標(biāo)（GJB540.3）規(guī)定的重型卡車的軸向過(guò)載3.5，受側(cè)向力的安全系數(shù)前后支撐分別為2.76、3.92，均大于國(guó)軍標(biāo)規(guī)定的側(cè)向載彈過(guò)載2.5。不僅整體強(qiáng)度、剛度滿足設(shè)計(jì)要求，而整體重量卻與參考機(jī)架的重量相當(dāng)（因所有支撐桿的強(qiáng)度均過(guò)剩，故仍然采用60mm見方的鋼管）。加筋板后機(jī)架的軸測(cè)圖（見圖4）。

此產(chǎn)品參加了10月底舉行的土庫(kù)曼斯坦國(guó)慶閱兵儀式（如附圖7），安裝在重型卡車上的機(jī)架載無(wú)人機(jī)運(yùn)行2小時(shí)后，機(jī)架結(jié)構(gòu)保持完好，經(jīng)受住了考驗(yàn)，滿足了使用要求。

綜上所述，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算現(xiàn)已難找到實(shí)用之處了，經(jīng)驗(yàn)也越來(lái)越淡薄了，這時(shí)，UG三維仿真力學(xué)理論就成為了解決難題的有效途徑，本文對(duì)該機(jī)架前后支撐的強(qiáng)度分析就顯現(xiàn)了今后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的這個(gè)方向，掌握這項(xiàng)理論就掌握了現(xiàn)代設(shè)計(jì)的一個(gè)基礎(chǔ)方向。