電子訓(xùn)練臺安裝架開裂原因分析及改進

李晨光 薛 鵬 王曉勇

（西北機電工程研究所，咸陽 712099）

某型電子訓(xùn)練臺是一種由計算機實時控制，多系統(tǒng)共同協(xié)調(diào)工作的模擬設(shè)備，該電子訓(xùn)練臺主要被用于幫助學(xué)員熟悉操作環(huán)境并掌握裝備主要操作流程及技能。其結(jié)構(gòu)布局、操縱機構(gòu)、顯示設(shè)備與實裝保持一致或相似，為學(xué)員提供一個近乎真實的訓(xùn)練環(huán)境[1]。

在試驗場進行運輸性試驗后，對該電子訓(xùn)練臺進行開箱檢查，發(fā)現(xiàn)其安裝架支撐槽鋼與操縱桿框架焊接處發(fā)生斷裂現(xiàn)象，如圖1所示。分析其斷口宏觀形貌特征，發(fā)現(xiàn)其具有明顯的疲勞斷口特征，故初步判定該斷裂現(xiàn)象是由于局部結(jié)構(gòu)疲勞斷裂導(dǎo)致的[2]。

圖1 電子訓(xùn)練臺局部開裂

本文以該電子訓(xùn)練臺為研究對象，采用UG NX10.0高級仿真模塊，建立合理力學(xué)模型，對其進行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和疲勞仿真分析。預(yù)測該訓(xùn)練臺在車載運輸過程中的疲勞耐久性能，并提出可行的優(yōu)化改進措施，滿足設(shè)備運輸性能要求。

1 有限元分析

1.1 創(chuàng)建有限元模型

該電子訓(xùn)練臺結(jié)構(gòu)設(shè)計采用上、下分體式結(jié)構(gòu)，由1.5mm厚Q235鋼板折彎拼焊加工而成。在UG NX10.0中建立三維模型，對模型結(jié)構(gòu)進行必要簡化處理，如省略圓角、孔等特征。裝配關(guān)系選擇“面對面粘連”，進而模擬各部件焊接效果。網(wǎng)格劃分類型選擇“3D四面體網(wǎng)格”，單元屬性類型選擇“CTETRA（10）”，單元大小為10mm。為提高結(jié)構(gòu)受載后變形和應(yīng)力計算精度，在發(fā)生斷裂部分進行網(wǎng)格細化操作，設(shè)置槽鋼與連接架焊接處單元大小為1mm，劃分單元總數(shù)389037個，節(jié)點總數(shù)793559個。

1.2 材料屬性

該電子訓(xùn)練臺安裝架的材料為Q235A，在UG NX的材料庫中設(shè)置相關(guān)參數(shù)，屈服強度為σS=235MPa，極限強度σb=460MPa，彈性模量為E=2.1×105MPa，泊松比為μ=0.3，密度ρ=7.8g/cm3。

1.3 邊界條件及載荷工況

根據(jù)實際車載運輸情況，對有限元模型施加的邊界條件及載荷分布情況進行分析。對訓(xùn)練臺安裝架進行靜力學(xué)分析時，為了使計算結(jié)果具有唯一性，系統(tǒng)必須消除結(jié)構(gòu)剛體位移，保證結(jié)構(gòu)總剛度矩陣非奇異[3]。電子訓(xùn)練臺運輸時采用木箱包裝，利用固定板將訓(xùn)練臺底部與箱體底部壓緊固定，因此在訓(xùn)練臺底部添加約束，約束類型選擇“固定約束”。

根據(jù)《軍用物資運輸環(huán)境條件》（GJB 3493-1998），在運輸性試驗中，電子訓(xùn)練臺經(jīng)歷的運輸環(huán)境屬于Ⅱ類汽車運輸[4]。車輛行駛過程中，垂向振動量級遠大于橫向和縱向的激勵，因此在計算過程中，僅考慮訓(xùn)練臺在垂向的振動[5]。根據(jù)Ⅱ類汽車運輸情況下的振動條件，對訓(xùn)練臺整體施加豎直方向幅值為25m/s2的振動加速度，結(jié)合訓(xùn)練臺結(jié)構(gòu)設(shè)計模型進行仿真。施加邊界條件和載荷后的安裝架如圖2所示。

圖2 訓(xùn)練臺所受約束及載荷

1.4 線性靜態(tài)分析及結(jié)果評價

在訓(xùn)練臺有限元分析前完成先關(guān)參數(shù)設(shè)置后，對模型進行必要的綜合檢查，即可進行靜力學(xué)分析并進行求解處理。本文使用NX NASTRAN求解器，結(jié)算方案類型選擇SOL 101 Linear Statics -Global Constraints。在仿真導(dǎo)航器中，應(yīng)力分析云圖如圖3所示，標記出訓(xùn)練臺安裝架結(jié)構(gòu)中最危險的部位。

圖3 訓(xùn)練臺應(yīng)力分析云圖

應(yīng)力分布圖顯示該訓(xùn)練臺上最大的應(yīng)力發(fā)生在支撐槽鋼與操縱桿框架連接處，與實際發(fā)生斷裂的位置一致。該安裝架受到最大的Von Mises應(yīng)力為109.84MPa。而Q235A的屈服強度σS=235MPa，安全系數(shù)nS=1.8，則許用應(yīng)力[σ]=σS/nS=130MPa，可知在此運輸條件下訓(xùn)練臺結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，滿足靜強度要求。模型處于彈性變形階段時，結(jié)構(gòu)存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，在運輸過程中受到垂直向的循環(huán)往復(fù)振動，可能出現(xiàn)疲勞破壞，需在UG NX高級仿真模塊進行疲勞耐久性分析。

2 疲勞分析

疲勞壽命可定義為由于“零件由于循環(huán)加載而逐漸疲勞，導(dǎo)致裂紋的擴展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂而破壞”[6]。疲勞計算基于線性結(jié)構(gòu)裂紋損傷累計（MINER線性累計）原理，假定N為對應(yīng)于恒幅載荷水平S的疲勞壽命，則每個循環(huán)造成的損傷為D=1/N，n個等幅載荷循環(huán)造成的損傷為D=n/N；若Ni為對應(yīng)于當前載荷水平Si的疲勞壽命，n個變幅載荷破壞準則為D=1，即D=1時模型發(fā)生破壞。若時間Td內(nèi)的損傷為D，則疲勞壽命為Tf=Td/D。

UG NX根據(jù)材料疲勞屬性確定材料的應(yīng)力/疲勞周期（S-N）曲線，并采用半周期或全周期比例函數(shù)的方式，模擬零件所受到循環(huán)載荷，然后在一定的疲勞壽命準則下估算出結(jié)構(gòu)各個部分的疲勞壽命，整個疲勞分析操作流程如圖4所示。最終根據(jù)疲勞分析生成的壽命云圖，查看所有單元節(jié)點的疲勞壽命情況。

圖4 疲勞分析操作流程圖

在UG NX材料庫中添加Q235A的疲勞屬性參數(shù)，其中疲勞強度系數(shù)σ′=658.8MPa，疲勞強度b=-0.0709，疲勞韌性系數(shù)εf′=0.2747，疲勞韌性指數(shù)c=-0.4907。在上述靜力學(xué)分析得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果的基礎(chǔ)上，按照疲勞分析操作流程，新建“耐久性結(jié)算方案”，應(yīng)力準則選擇“極限應(yīng)力”，疲勞壽命準則選擇“Smith Watson Topper（SWT模型）”，利用垂直于最大主應(yīng)變平面的最大正應(yīng)力與最大正應(yīng)變變幅，建立疲勞壽命分析模型[7-8]。SWT模型計算公式如式（1）所示。

式中，Δεmax為最大正應(yīng)變幅值；σn為最大正應(yīng)變面上的最大正應(yīng)力。疲勞載荷采用1.5倍Von Mises名義應(yīng)力值載荷，作用周期106次循環(huán)，比例函數(shù)為全周期[9]。解算疲勞安全因子、疲勞壽命分布圖如圖5、圖6所示。

圖5 疲勞安全因子分析云圖

圖6 疲勞壽命分析云圖

根據(jù)疲勞安全因子（FSF）云圖可知，支撐槽鋼與操縱桿框架連接區(qū)域單元FSF值為0.819＜1，說明該區(qū)域最先產(chǎn)生裂紋和破壞，分析結(jié)果與實際故障情況相一致。根據(jù)疲勞壽命（FSF）云圖可知，支撐槽鋼與操縱桿框架連接區(qū)域單元疲勞壽命值最短，為1.03×107次工作周期，意味著該區(qū)域首先遭到疲勞破壞。

在車輛行駛過程中，由于路面不平引起的車身振動是車載設(shè)備產(chǎn)生疲勞破壞的主要原因。根據(jù)相關(guān)文獻，近似的認為Ⅱ類汽車運輸條件下車體所受振動沖擊的頻率f為10Hz，以運載汽車在Ⅱ類汽車運輸狀態(tài)，時速v=50km/h條件下，估算訓(xùn)練臺安裝架發(fā)生疲勞破壞之前的安全運輸距離L，如式（2）所示。

式中，t為運輸總時間；T為車體振動周期。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，可得到訓(xùn)練臺安裝架的安全運輸距離L約為14000km。在電子訓(xùn)練臺進行運輸性試驗之前，在各地已完成一系列性能試驗，累計運輸里程約18000km，考慮到疲勞壽命計算誤差，認為訓(xùn)練臺安裝架局部已達到疲勞壽命極限，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。

3 改進方案

3.1 結(jié)構(gòu)改進及分析

從上述靜力學(xué)分析和疲勞壽命分析可知，訓(xùn)練臺安裝架局部存在應(yīng)力集中，這是導(dǎo)致安裝架發(fā)生局部開裂的主要原因，因此最終改進方案如下：

第一，增加支撐槽鋼的截面尺寸和材料厚度；第二，增加操縱桿框架的截面尺寸和材料厚度；第三，支撐槽鋼與操縱桿框架間增加“U”型加強筋。改進后的模型如圖7所示。

圖7 安裝架改進前后對比圖

在約束和載荷條件不變的前提下，對改進后的模型進行疲勞分析，計算得到的疲勞壽命云圖如圖8所示。從疲勞壽命云圖可以看出，訓(xùn)練臺結(jié)構(gòu)最低疲勞壽命提高至5.8×1015次工作周期，可認為訓(xùn)練臺安裝架為無限壽命，即在本文給出的振動條件下，訓(xùn)練臺安裝架結(jié)構(gòu)不會發(fā)生疲勞破壞。

圖8 結(jié)構(gòu)改進后疲勞壽命云圖

3.2 后續(xù)試驗驗證

對電子訓(xùn)練臺安裝架結(jié)構(gòu)改進后，在試驗地點和運輸里程不變的情況下進行運輸性試驗。試驗后進行開箱檢查，訓(xùn)練臺整體結(jié)構(gòu)完好無損傷，可認為改進后的訓(xùn)練臺安裝架能夠承受Ⅱ級汽車運輸條件下的振動與沖擊，滿足運輸要求，改進方案可行。

4 結(jié)論

本文首先分析了車架斷裂特征，根據(jù)實際運輸性試驗條件，應(yīng)用UG NX10.0高級仿真模塊對安裝架結(jié)構(gòu)進行靜力學(xué)分析和疲勞分析，得到安裝架所受的應(yīng)力應(yīng)變狀況以及疲勞性能，確定疲勞失效是導(dǎo)致局部開裂的主要原因。既而針對安裝架應(yīng)力集中部位提出改進方案，對改進后的結(jié)構(gòu)進行有限元分析，對比改進前后疲勞壽命云圖可知，改進后安裝架壽命明顯提高。最后在運輸試驗條件不變的情況下，對改進后訓(xùn)練臺重新進行試驗，驗證了改進后的安裝架能有效解決局部開裂問題。

本文使用的分析方法對于后續(xù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)零部件的開發(fā)具有借鑒意義，在設(shè)計階段可通過有限元分析法，初步估算出產(chǎn)品性能，并根據(jù)分析結(jié)果進行產(chǎn)品修正，降低后續(xù)試驗成本，具有一定的工程應(yīng)用價值。