試述支架支撐加強結構的設計

張冬

摘要：通過UG三維仿真計算找出支撐加強結構的薄弱點，再通過適當的加強，從而優化設計的新方法。

關鍵詞：支架支撐加強結構設計；UG三維力學仿真計算法

所謂支架加強結構，就是用斜支撐，側支撐等進行加強的支架結構，這在地面設備設計中廣泛應用，如艙段支撐車，支撐架、托架等，不僅是支撐，有的還要經得起長距離的產品運輸，如防過載、顛簸、抗震動等。以前的設計多是參照老的產品，或是稍加改動，或依據基礎的通用的理論公式去設計，去加強，結果總體強度越來越富裕，結構越來越大，久而久之，當初的設計理念就遺失了，沒有理論支撐了，經驗也越來越淡薄了。

現在，我試用UG三維力學仿真計算法，進行建模并結合實際做了運算，發現可以輕易找到支撐加強結構的薄弱點，對其進行相應加強，并可獲得到意想不到的效果。

例如，2016年7月初，我接到的關于設計某無人機巡展機架的任務。任務要求：（1）機架要能承受500kg重量。（2）機架要經得起公路運輸的各種條件。（3）要有一定的仰角，但只給了一個機架參考圖和無人機協調圖，能否設計出強度、剛度足夠，結構又緊湊的機架，成了完成好此次任務的關鍵。

設計之初，雖僅有一個其它機型的參考支座，如圖1所示。但此機架僅能承300kg機體，仰角5°，前支撐高1024mm，而現在要求機架承力500kg，仰角8.5°，前支撐高1224mm，還要完成運輸的要求，這就需要機架結構要加高，傾角更大，而且無論強度，剛度都要求更高 如何進行設計呢？有的人說加粗矩管，有的人說改變支撐方式并加包帶，既沒有理論依據，

又沒有相應計算公式支撐，還沒有現成的經驗來借鑒，似乎無從下手。這時我想到了用三維仿真力學計算理論來設計這個機架，看看能否設計出更合理的結構。

首先，由參考圖分析，此為一個支撐結構，其支撐的下半部為斜筋加強，是典型的支撐加強結構。要想用基礎的或通用的計算方法很難找到薄弱點，確定最大應力值更是無從下手，憑經驗則要放大機構，會增加很多重量，不方便運輸和使用。這時，三維力學仿真計算就派上用場了。

據此想法，我繪制了機架的UG三維模型，如附圖1 （附圖均見本文后），然后對前后支架逐一分析。由于篇幅限制，僅對前支架進行分析，為了分析方便，我將其上面支叉部分簡化為單管，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倍過載，前支撐按力學分析分配150kg計），支架的應力分布如附圖2所示：中間支撐和支架立柱的上接觸面有應力集中（黃色線條區域），最大應力為265.28Mpa，安全系數1.77，小于設計所需的3.5倍的安全系數，其他地方以藍色為主，說明強度富裕，黃色上部有小片綠色區域，應力不大于130Mpa，安全系數為3.62，強度足夠。只要加強黃色區域，就可避免應力集中，使安全系數滿足要求。實際上加筋板是最好的解決方法，加筋板后的前支撐結構圖如圖2。

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

力分布為綠色），應力集中由主焊縫

轉移到上筋板上的一點，結構強度顯著提高，安全系數達3.62。（受向前力作用）

其次，受側向力150kg（1倍過載）的情況下，加筋板后的最

大應力分布圖如附圖4，最大應力集中也轉移到了下筋板上的一點，周圍應力為黃色區域，對應應力值不大于85Mpa。安全系數為2.76。

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

由上可見，加筋板后的機架受軸向力（前后方向）的安全系數為3.62、3.6，大于國軍標（GJB540.3）規定的重型卡車的軸向過載3.5，受側向力的安全系數前后支撐分別為2.76、3.92，均大于國軍標規定的側向載彈過載2.5。不僅整體強度、剛度滿足設計要求，而整體重量卻與參考機架的重量相當（因所有支撐桿的強度均過剩，故仍然采用60mm見方的鋼管）。加筋板后機架的軸測圖（見圖4）。

此產品參加了10月底舉行的土庫曼斯坦國慶閱兵儀式（如附圖7），安裝在重型卡車上的機架載無人機運行2小時后，機架結構保持完好，經受住了考驗，滿足了使用要求。

綜上所述，復雜結構的理論計算現已難找到實用之處了，經驗也越來越淡薄了，這時，UG三維仿真力學理論就成為了解決難題的有效途徑，本文對該機架前后支撐的強度分析就顯現了今后結構設計的這個方向，掌握這項理論就掌握了現代設計的一個基礎方向。