車載顯控設(shè)備支撐架彎曲失效分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

陳靜， 劉宇， 張向陽， 黨力， 王怡恬， 韓偉， 夏元杰， 王本國， 徐旺華

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安 710065）

0 引言

軍用車載顯控設(shè)備在使用過程中需要承受多種振動(dòng)和沖擊，對其支撐架的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。對某軍用車載顯控設(shè)備疲勞試驗(yàn)件彎曲失效原因進(jìn)行分析。采用NX軟件有限元分析模塊，基于NX Nastran求解器，建立了該支撐架的有限元模型，對其靜態(tài)剛度、強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，分析出失效原因，找到支撐架的薄弱環(huán)節(jié)，并在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對優(yōu)化后的支撐架模型進(jìn)行了基于NX的有限元分析。通過分析數(shù)據(jù)對比前后計(jì)算結(jié)果得出結(jié)論：改進(jìn)后的支撐架最大應(yīng)力得到明顯改善，剛度和強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

1 失效描述及原因分析

1.1 失效描述

某型車載顯控設(shè)備支撐架試驗(yàn)件在沖擊試驗(yàn)過程中發(fā)生彎曲失效，如圖1所示。垂直向支撐面發(fā)生彎折變形，直接影響顯控設(shè)備的顯示視角，造成支撐架功能部分失效。

圖1 某型車載顯控設(shè)備支撐架試驗(yàn)件彎曲失效圖

1.2 失效原因分析

影響強(qiáng)度的因素重點(diǎn)涉及應(yīng)力集中、尺寸和材料3個(gè)方面。

1）應(yīng)力集中。對于結(jié)構(gòu)件的截面，特別是在有孔或槽等結(jié)構(gòu)形式的地方，其截面幾何形狀會(huì)有突然改變，使這些部位的局部應(yīng)力遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力，造成應(yīng)力集中。對于受壓寬板上中心孔附近的應(yīng)力分布，孔邊上應(yīng)力遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力（與孔的半徑尺寸相關(guān)），且隨著離孔邊距離的增大而很快降低。該顯控設(shè)備的支撐架受減重要求的影響，設(shè)置了多處減重孔，受減重孔尺寸和形狀的影響，造成應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2）截面形狀及肋的布置不合理。特別是在截面薄弱處肋板數(shù)量及位置不合理。肋板數(shù)量少（3個(gè)）且分布跨度較長。

3）材料的影響。由于支撐架需要折彎和焊接，在材料的選取上除重點(diǎn)考慮材料的折彎和焊接性能外，還需綜合考慮強(qiáng)度和剛度。本次支撐架在材料選取上，使用了常用的支架材料Q235鋼，這種材料的優(yōu)點(diǎn)是塑性和韌性尚好，焊接性能好，缺點(diǎn)是強(qiáng)度中等，用于一般負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。這種材料在承受短時(shí)高強(qiáng)度的沖擊載荷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生失效。

2 支撐架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

2.1 有限元模型

采用UG NX軟件進(jìn)行了支撐架的三維實(shí)體建模，導(dǎo)入NX高級仿真模塊。用于分析的模型分為主模型、理想化模型、有限元模型和仿真模型。在實(shí)體建模環(huán)境下設(shè)計(jì)出主模型（如圖2），導(dǎo)入仿真模塊后生成一個(gè)待分析模型，對該模型進(jìn)行了編輯和簡化，主要是將焊接部分簡化為整體模型，提高分析質(zhì)量和計(jì)算效率（如圖3）。

圖2 支撐架主模型

圖3 支撐架有限元模型

有限元模型包含對分析模型材料屬性的定義、網(wǎng)格類型的定義和單元類型的大小的定義。在本次分析中，自定義材料的性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

2.2 劃分有限單元

有限元分析的基本原理就是通過網(wǎng)格劃分的方式，將一個(gè)連續(xù)的幾何體離散成由有限個(gè)單元組成的集合體，各個(gè)單元之間通過節(jié)點(diǎn)方式承接整個(gè)整體[2]。所以，網(wǎng)格劃分對于仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性有重要的影響。本實(shí)例單元?jiǎng)澐譃镃TETRA(10)，采用3D四面體網(wǎng)格形式。

2.3 施加邊界約束

支撐架在底部安裝面的法向方向運(yùn)動(dòng)，故將固定約束施加在支撐架底部的安裝基面上。

2.4 加載靜態(tài)載荷

在加載載荷時(shí)，考慮到簡化分析和計(jì)算，將本實(shí)例中的動(dòng)態(tài)沖擊載荷轉(zhuǎn)換為靜態(tài)載荷，并在靜態(tài)載荷的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)修正系數(shù)，以修正動(dòng)態(tài)沖擊力。在模型21個(gè)安裝孔施加安裝面法向方向的28倍重力加速度換算出的壓力。

3 計(jì)算結(jié)果及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1 原狀態(tài)模型計(jì)算結(jié)果

使用NX Nastran求解器對于失效狀態(tài)支架的有限元模型進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)本實(shí)例金屬材料的結(jié)構(gòu)特性，采用Von Mises屈服準(zhǔn)則來判定實(shí)例結(jié)構(gòu)的屈服狀態(tài)。Von Mises Stress應(yīng)力是一種等效應(yīng)力，用應(yīng)力等值線來表示模型內(nèi)部的應(yīng)力分布情況[2]。通過應(yīng)力等值線，可以準(zhǔn)確地看出應(yīng)力在模型中的變化和分布，進(jìn)而快速找出模型中的薄弱位置，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

通過求解器對支撐架進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算得到最大應(yīng)力（應(yīng)力-單元節(jié)點(diǎn)的）547.8 MPa，Von Mises屈服失效分析為628.7 MPa，超過碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235屈服強(qiáng)度極限235 MPa，應(yīng)力集中位置及最大應(yīng)力位置如圖4～圖6所示，與試驗(yàn)時(shí)失效位置相同，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符。計(jì)算結(jié)果如圖4～圖6所示。如圖7所示，仿真分析出的產(chǎn)生形變的趨勢與試驗(yàn)結(jié)果相同。

圖4 原狀態(tài)應(yīng)力分布云圖（單元節(jié)點(diǎn)的最大主應(yīng)力）

圖5 原狀態(tài)應(yīng)力分布云局部放大圖（單元節(jié)點(diǎn)的最大主應(yīng)力）

圖6 原狀態(tài)應(yīng)力分布云圖（單元節(jié)點(diǎn)的Von Mises）

圖7 原狀態(tài)變形狀態(tài)

3.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)計(jì)算結(jié)果對支撐架從以下3個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。支架設(shè)計(jì)和選材均不合理，在受到?jīng)_擊載荷時(shí)安全系數(shù)低，在無法減小工作載荷的情況下必須改進(jìn)模型結(jié)構(gòu)，提高強(qiáng)度值。由于顯控設(shè)備組件結(jié)構(gòu)的限制，支架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)只能是局部優(yōu)化，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的安全系數(shù)值（1.5以上）。

1）減少應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，找出應(yīng)力較大的幾何形狀。由于方孔的截面幾何形狀易造成應(yīng)力集中，故需將支撐架薄弱處的減重孔的方孔改為其他形狀。開孔為方孔的彎曲相對剛度比遠(yuǎn)小于開孔為圓孔，所以在開孔形狀的選擇上，條件允許的情況下盡量使用圓孔減重。

2）改變截面尺寸。由于將整體截面積增大會(huì)大大增加支撐架的質(zhì)量，增加減重負(fù)擔(dān)，所以選擇局部增加壁厚，對于薄弱處局部焊接薄板，增加薄弱處材料的厚度。

3）增加肋板。加設(shè)肋板既可增加強(qiáng)度和剛度，減小其截面畸變，縮小局部變形防止薄壁振動(dòng)。為有效提高支撐架抗彎剛度，肋應(yīng)布置在彎曲平面內(nèi)。加肋后，可把側(cè)板的載荷傳遞到下板，并把側(cè)壁的彎曲變形轉(zhuǎn)化為肋板的拉伸和壓縮變形，因而有效地減少側(cè)壁的彎曲變形。

針對以上3種設(shè)計(jì)優(yōu)化后的模型狀態(tài)如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模型

4）更換材料。由于原狀態(tài)仿真應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料的屈服強(qiáng)度，故需更換綜合性能更好的材料。表2為候選鋼材的性能比較。

表2 候選鋼材的性能比較

通過對3種常用支架鋼材性能的比較，Q345低合金結(jié)構(gòu)鋼綜合性能良好。將原狀態(tài)Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼更換為Q345低合金結(jié)構(gòu)鋼。

3.3 優(yōu)化后模型計(jì)算結(jié)果

首先計(jì)算許用應(yīng)力σ0值，其計(jì)算公式如下：

式中：σs為材料的屈服強(qiáng)度；n為安全系數(shù)。

分析和計(jì)算模型在工作狀態(tài)下受到的邊界約束和加載載荷后得出的最大響應(yīng)值，不應(yīng)超過材料本身的許用應(yīng)力值[3]，即

式中，σmax為分析解算后的最大應(yīng)力值。

對優(yōu)化后的支撐架重新建模進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)果為：最大應(yīng)力降低到204.8 MPa，Von Mises屈服失效分析結(jié)果（有限元解算后最大應(yīng)力值σmax）為218.8 MPa。結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 優(yōu)化后應(yīng)力云圖分布（單元節(jié)點(diǎn)最大主應(yīng)力）

圖10 優(yōu)化后應(yīng)力云圖分布（單元節(jié)點(diǎn)的Von Mises）

在常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)中，許用安全系數(shù)推薦用表如表3所示，安全系數(shù)推薦用值如表4所示。

表3 許用安全系數(shù)

表4 安全系數(shù)推薦用值

選取安全系數(shù)：靜載荷[n]s=1.5，動(dòng)載荷[n]s=1.5，疲勞載荷[n]-1=1.5。

對結(jié)果乘以安全系數(shù)，最大應(yīng)力為307.2 MPa，Von Mises屈服失效分析結(jié)果σmax為328.2 MPa，仍小于新選取的材料低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345的屈服強(qiáng)度σs（345 MPa），滿足屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

由軟件分析出的可信度為96.370%，可得出結(jié)算結(jié)果的錯(cuò)誤率能控制在4%以內(nèi)，分析結(jié)果如圖11所示。

圖11 可信度分析結(jié)果

在后續(xù)的沖擊振動(dòng)試驗(yàn)未再出現(xiàn)彎曲失效現(xiàn)象。仿真計(jì)算及試驗(yàn)證實(shí)設(shè)計(jì)優(yōu)化有效。

4 結(jié)語

車載顯控設(shè)備是人機(jī)信息交互的平臺(tái)，對顯控設(shè)備安裝支撐的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)要求較高。本文利用NX對顯控設(shè)備支撐架的有限元分析結(jié)果與原設(shè)計(jì)試驗(yàn)失效部位一致。改進(jìn)設(shè)計(jì)后，NX再次仿真結(jié)果滿足了材料對使用環(huán)境應(yīng)力的要求，并通過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證。這里將車載環(huán)境的動(dòng)態(tài)載荷沖擊響應(yīng)簡化為靜態(tài)問題，通過NX有限元分析，為車載支撐設(shè)備設(shè)計(jì)提供了有效依據(jù)。