基于客車LCD綜合顯示屏安裝結(jié)構(gòu)故障有限元分析改善

馮文良 李立亭 陳祥仕 馬強(qiáng) 林敏

馮文良

畢業(yè)于重慶大學(xué)，本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于中車時代電動汽車股份有限公司設(shè)計(jì)師，主要研究方向客車產(chǎn)品研發(fā)與設(shè)計(jì)，已授權(quán)實(shí)用新型專利2項(xiàng)，2項(xiàng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編制。

摘? 要：本文針對客車LCD綜合顯示屏安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了失效分析與改進(jìn)。首先運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法對結(jié)構(gòu)失效問題進(jìn)行了分析，再利用有限元分析軟件進(jìn)行模態(tài)、靜強(qiáng)度、頻響分析找出失效原因，然后對LCD綜合顯示屏安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，最后通過對比分析得出，改進(jìn)結(jié)構(gòu)在一階固有頻率提高了70.4%、靜強(qiáng)度最大應(yīng)力降低了57.2%、在激勵掃頻下峰值應(yīng)力降低72%，振動破壞風(fēng)險顯著降低，在使用過程中未發(fā)現(xiàn)失效現(xiàn)象，驗(yàn)證了改進(jìn)效果顯著。

關(guān)鍵詞：LCD綜合顯示屏安裝結(jié)構(gòu);有限元分析;失效分析

中圖分類號：U463.82+2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2022）03-0072-05

Finite Element Analysis and Improvement Based on Installation Structure Fault of Bus LCD Integrated Display Panel

FENG Wen-liang， Li Li-ting， CHEN Xiang-shi， MA Qiang， LIN Min

（ CRRC Times Electric Vehicle Co.， Ltd ， ZhuZhou 412007， China）

Abstract： In this paper， the failure analysis and improvement of the installation structure of bus LCD integrated display panel were carried out. Firstly， the structural failure was analyzed by statistical method， and then the modal， static strength and frequency response were analyzed by finite element analysis software to find out the cause of failure. Then， the installation structure of LCD integrated display panel was optimized and improved. Finally， through comparative analysis， The first order natural frequency of the improved structure is increased by 70.4%， the maximum static strength stress is reduced by 57.2%， the peak stress is reduced by 72% under the excitation frequency sweep， and the risk of vibration failure is significantly reduced. No failure phenomenon is found in the process of use， which verifies the significant improvement effect.

Key Words： LCD Integrated Display Panel Installation Structure; Finite Element Analysis; Failure Analysis

現(xiàn)代社會電子通信技術(shù)飛速發(fā)展，為了保證客車在運(yùn)行的過程中信息的快速傳輸，車內(nèi)一般會配備電子路牌[1-3]或LCD綜合顯示屏。隨著人們關(guān)注的信息量越來越大，觀賞體驗(yàn)需求越來越高，現(xiàn)在的客車安裝LCD綜合顯示屏在寬度和長度方向都進(jìn)行了加寬加大處理，LCD綜合顯示屏的重量也隨之增加。因此，僅將LCD綜合顯示屏固定在客車風(fēng)道的門板背面難以達(dá)到支承強(qiáng)度要求。

為了避免風(fēng)道過度承重，原設(shè)計(jì)采用了一種直接與客車骨架連接的LCD綜合顯示屏安裝結(jié)構(gòu)[4]。但是，2021年7月收到西北區(qū)域售后服務(wù)中心反饋信息，某車型車內(nèi)電子路牌支架出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，電子路牌下方是乘客座椅，車輛運(yùn)行過程中電子路牌掉落存在安全隱患，影響車輛正常運(yùn)營。因此，作為技術(shù)人員分析安裝結(jié)構(gòu)失效原因并作出結(jié)構(gòu)改進(jìn)是責(zé)無旁貸的。而有限元軟件對結(jié)構(gòu)失效分析是在車輛技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)熱點(diǎn)研究方向[5-11]。

本文運(yùn)用有限元分析軟件對現(xiàn)有LCD綜合顯示屏安裝結(jié)構(gòu)斷裂問題分別進(jìn)行模態(tài)、靜強(qiáng)度和頻響分析，并對改進(jìn)方案作出了對比分析，為同類設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的參考。

1? ? 問題闡述

1.1? ?問題描述

根據(jù)售后人員反饋車內(nèi)電子綜合顯示屏即LCD綜合顯示屏發(fā)生掉落，如圖1所示：

經(jīng)查故障車型失效里程為67000KM，拆除車內(nèi)風(fēng)道等車內(nèi)裝飾件后，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)LCD綜合顯示屏安裝支架與車體骨架焊接區(qū)域發(fā)生斷裂，其中斷口形貌如圖2、圖3所示：

1.2? ?失效模式統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過對同批次進(jìn)行排查，對LCD綜合顯示屏安裝故障率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，車內(nèi)LCD綜合顯示屏安裝支架自然斷裂導(dǎo)致顯示屏掉落車輛占比2%，支架有開裂痕跡車輛占比為73.5%，暫未出現(xiàn)斷裂車輛占比24.5%。其失效模式統(tǒng)柏拉圖，如圖4所示：

從LCD綜合顯示屏安裝結(jié)構(gòu)失效模式柏拉圖可以看出，斷裂、開裂故障累積率為75%，因此確定為改進(jìn)的目標(biāo)。

2? ? 原因分析

2.1? ?原LCD綜合顯示屏安裝結(jié)構(gòu)初步分析

原客車的LCD綜合顯示屏安裝結(jié)構(gòu)如圖5所示，安裝結(jié)構(gòu)包括安裝框架、連接立柱支架和頂蓋相應(yīng)搭接骨架。連接立柱支架一端連接在具有風(fēng)道的客車頂蓋骨架上，另一端連接有安裝LCD綜合顯示屏的安裝框架，連接立柱支架和安裝框架均位于客車的風(fēng)道內(nèi)，如圖6所示：

圖6所示，LCD綜合顯示屏安裝框架、連接立柱、車體頂蓋骨架形成一個懸臂梁系統(tǒng)。對此，可以從以下三個方面進(jìn)行考慮：（1）電子路牌比較重，路面狀況復(fù)雜時，車輛運(yùn)行過程中存在長期反復(fù)振動，導(dǎo)致支架斷裂。（2）使用型材問題：搭接骨架材料比較薄，此處頂蓋搭接梁壁厚為1.5mm型鋼，支撐電子路牌強(qiáng)度不夠，運(yùn)行過程中存在開裂風(fēng)險。（3）支架結(jié)構(gòu)問題：LCD綜合顯示屏搭接骨架焊點(diǎn)較少。

2.2? ?原LCD綜合顯示屏安裝結(jié)構(gòu)有限元分析

運(yùn)用有限分析軟件，在頂蓋下方立柱支架焊接區(qū)固定，分別進(jìn)行模態(tài)、靜強(qiáng)度和頻響分析。

LCD綜合顯示屏重13kg，以集中質(zhì)量施加在屏的幾何中心處。由于該屏跨過頂蓋兩段檔距，且位于中門前后立柱正上方。截取前后立柱間的頂蓋結(jié)構(gòu)，對LED安裝結(jié)構(gòu)做相應(yīng)分析，材料均為Q235B。Q235B材料參數(shù)見表1所示[12]。

2.2.1 模態(tài)分析

LCD綜合顯示屏安裝結(jié)構(gòu)前兩階振型如圖7、圖8所示，一階頻率15.9Hz，二階頻率28.8Hz（原方案第二階振型顯示為計(jì)算模型的第三階）。一階振型為LED支架的局部側(cè)向振動，二階振型為垂向振動。

2.2.2 靜強(qiáng)度分析

LED屏質(zhì)心處分別施加一倍重力載荷，應(yīng)力分布如圖9所示。1G載荷下，支架根部焊接區(qū)最大應(yīng)力只有22MPa，靜強(qiáng)度不存在風(fēng)險。

2.2.3 頻響分析

根據(jù)模態(tài)結(jié)果，激勵頻率取0-50Hz，模型截?cái)囝l率取150Hz，在LED屏質(zhì)心位置施加幅值130N的掃頻激勵如圖10所示：

支架焊接區(qū)最大應(yīng)力隨頻率變化如圖11所示。掃頻激勵下，支架根部應(yīng)力在16Hz出現(xiàn)峰值共振，130N激勵下峰值應(yīng)力277MPa，超出材料屈服強(qiáng)度。

從靜強(qiáng)度知，原結(jié)構(gòu)在垂向1G工況下，支架根部應(yīng)力較低，不存在靜強(qiáng)度破壞問題。

3? ? ?LCD綜合顯示屏安裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化

3.1? ?改進(jìn)目標(biāo)

（1）改善LCD綜合顯示屏安裝結(jié)構(gòu)整體受力情況，改進(jìn)立柱與頂骨架焊接區(qū)應(yīng)力狀況，使LCD綜合顯示屏安裝結(jié)構(gòu)在頂骨架連接區(qū)域受力均勻，防止骨架再次出現(xiàn)開裂。

（2）結(jié)構(gòu)要盡量簡單，要便于車間工藝、生產(chǎn)進(jìn)行改進(jìn)。

3.2? ?改進(jìn)方案

原結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度安全，但存在振動破壞風(fēng)險。對局部安裝支架更改結(jié)構(gòu)和厚度。改進(jìn)方案如下：

（1）頂蓋骨架梁規(guī)格由30×40×1.5改為40×40×3.0。

（2）頂蓋增加一根短縱梁，形成直角搭接，分散頂蓋受力。

（3）增加焊縫長度，分散頂蓋梁的受力。

（4）在頂蓋骨架下方與立柱連接處增加直角安裝支架。

3.3? ?改進(jìn)結(jié)構(gòu)有限元分析

改進(jìn)結(jié)構(gòu)前兩階模態(tài)頻率如圖12、圖13所示（第一階振型顯示為計(jì)算模型第二階，第二階振型顯示為計(jì)算模型的第五階）。一階固有頻率為27.1Hz，二階固有頻率為38.8Hz。新結(jié)構(gòu)一階振型為整體垂向振動。

新結(jié)構(gòu)在幅值為130N掃頻激勵作用下，峰值應(yīng)力變化與原結(jié)構(gòu)對比如圖14、15、16所示：

130N掃頻激勵作用下新結(jié)構(gòu)最大峰值應(yīng)力在27Hz處出現(xiàn)，最大值77MPa。相較原結(jié)構(gòu)，同樣幅值掃頻激勵下最大應(yīng)力有近72%的降幅。相同激勵下支架振動破壞風(fēng)險顯著降低。新結(jié)構(gòu)1G靜載下的峰值應(yīng)力約為9.4MPa，也不存在靜強(qiáng)度破壞。

4? ? 結(jié)論

通過分析可得出以下結(jié)論：

（1）原安裝1G靜載作用下，焊接區(qū)最大應(yīng)力只有22MPa，不存在靜強(qiáng)度破壞風(fēng)險;LED屏自重激勵掃頻下焊接區(qū)在16Hz出現(xiàn)超出材料屈服強(qiáng)度的高應(yīng)力，原結(jié)構(gòu)存在振動破壞風(fēng)險。從原結(jié)構(gòu)振型知，一階振型為LED屏支架的局部側(cè)向振動，此振型尤其不利于其根部焊縫，當(dāng)共振發(fā)生時，LED支架根部焊縫會在側(cè)向發(fā)生拉壓變形。

（2）改進(jìn)后將一階固有頻率由原來的15.9Hz提至27.1Hz，且一階振型表現(xiàn)為整體的垂向振動，優(yōu)于原結(jié)構(gòu)。新結(jié)構(gòu)1G靜載作用下，焊接區(qū)最大應(yīng)力僅為9.4MPa，也不存在靜強(qiáng)度破壞風(fēng)險。LCD綜合顯示屏自重激勵掃頻下焊接區(qū)在27Hz出現(xiàn)峰值應(yīng)力，最大值為77MPa。通過對比分析，改進(jìn)結(jié)構(gòu)在一階固有頻率提高了70.4%、靜強(qiáng)度最大應(yīng)力降低了57.2%、在激勵掃頻下峰值應(yīng)力降低72%，振動破壞風(fēng)險顯著降低，相同動載荷作用下新結(jié)構(gòu)優(yōu)于原結(jié)構(gòu)。

改進(jìn)后，LCD綜合顯示屏安裝結(jié)構(gòu)在4個月后的售后無問題反饋，沒有發(fā)現(xiàn)電子路牌安裝結(jié)構(gòu)連接區(qū)域斷裂和開裂現(xiàn)象。從另一個角度說明，此計(jì)算分析方法和分析過程是正確的，結(jié)果是準(zhǔn)確的，改進(jìn)的結(jié)構(gòu)方案是得當(dāng)?shù)?，在同類的設(shè)計(jì)過程中具有一定的指導(dǎo)和參考意義。

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