車載顯控設備支撐架彎曲失效分析與設計優化

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

（西安應用光學研究所，西安 710065）

0 引言

軍用車載顯控設備在使用過程中需要承受多種振動和沖擊，對其支撐架的設計提出了很高的要求。對某軍用車載顯控設備疲勞試驗件彎曲失效原因進行分析。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，對其靜態剛度、強度進行計算，分析出失效原因，找到支撐架的薄弱環節，并在原結構基礎上進行優化設計。對優化后的支撐架模型進行了基于NX的有限元分析。通過分析數據對比前后計算結果得出結論：改進后的支撐架最大應力得到明顯改善，剛度和強度均滿足設計要求。

1 失效描述及原因分析

1.1 失效描述

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

圖1 某型車載顯控設備支撐架試驗件彎曲失效圖

1.2 失效原因分析

影響強度的因素重點涉及應力集中、尺寸和材料3個方面。

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

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量及位置不合理。肋板數量少（3個）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考慮材料的折彎和焊接性能外，還需綜合考慮強度和剛度。本次支撐架在材料選取上，使用了常用的支架材料Q235鋼，這種材料的優點是塑性和韌性尚好，焊接性能好，缺點是強度中等，用于一般負荷的結構。這種材料在承受短時高強度的沖擊載荷時，會產生失效。

2 支撐架結構強度分析

2.1 有限元模型

采用UG NX軟件進行了支撐架的三維實體建模，導入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。在實體建模環境下設計出主模型（如圖2），導入仿真模塊后生成一個待分析模型，對該模型進行了編輯和簡化，主要是將焊接部分簡化為整體模型，提高分析質量和計算效率（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如表1所示。

表1 材料參數

2.2 劃分有限單元

有限元分析的基本原理就是通過網格劃分的方式，將一個連續的幾何體離散成由有限個單元組成的集合體，各個單元之間通過節點方式承接整個整體[2]。所以，網格劃分對于仿真分析結果的準確性有重要的影響。本實例單元劃分為CTETRA(10)，采用3D四面體網格形式。

2.3 施加邊界約束

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

2.4 加載靜態載荷

在加載載荷時，考慮到簡化分析和計算，將本實例中的動態沖擊載荷轉換為靜態載荷，并在靜態載荷的基礎上乘以一個修正系數，以修正動態沖擊力。在模型21個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 計算結果及結構改進

3.1 原狀態模型計算結果

使用NX Nastran求解器對于失效狀態支架的有限元模型進行計算。根據本實例金屬材料的結構特性，采用Von Mises屈服準則來判定實例結構的屈服狀態。Von Mises Stress應力是一種等效應力，用應力等值線來表示模型內部的應力分布情況[2]。通過應力等值線，可以準確地看出應力在模型中的變化和分布，進而快速找出模型中的薄弱位置，根據分析結果進行設計優化。

通過求解器對支撐架進行計算。計算得到最大應力（應力-單元節點的）547.8 MPa，Von Mises屈服失效分析為628.7 MPa，超過碳素結構鋼Q235屈服強度極限235 MPa，應力集中位置及最大應力位置如圖4～圖6所示，與試驗時失效位置相同，計算結果與實際情況相符。計算結果如圖4～圖6所示。如圖7所示，仿真分析出的產生形變的趨勢與試驗結果相同。

圖4 原狀態應力分布云圖（單元節點的最大主應力）

圖5 原狀態應力分布云局部放大圖（單元節點的最大主應力）

圖6 原狀態應力分布云圖（單元節點的Von Mises）

圖7 原狀態變形狀態

3.2 設計優化

根據計算結果對支撐架從以下3個方面進行設計優化。支架設計和選材均不合理，在受到沖擊載荷時安全系數低，在無法減小工作載荷的情況下必須改進模型結構，提高強度值。由于顯控設備組件結構的限制，支架的結構改進只能是局部優化，達到設計要求的安全系數值（1.5以上）。

1）減少應力集中的結構形式。根據計算分析結果，找出應力較大的幾何形狀。由于方孔的截面幾何形狀易造成應力集中，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大大增加支撐架的質量，增加減重負擔，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。加設肋板既可增加強度和剛度，減小其截面畸變，縮小局部變形防止薄壁振動。為有效提高支撐架抗彎剛度，肋應布置在彎曲平面內。加肋后，可把側板的載荷傳遞到下板，并把側壁的彎曲變形轉化為肋板的拉伸和壓縮變形，因而有效地減少側壁的彎曲變形。

針對以上3種設計優化后的模型狀態如圖8所示。

圖8 結構優化后的模型

4）更換材料。由于原狀態仿真應力遠遠大于材料的屈服強度，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低合金結構鋼綜合性能良好。將原狀態Q235碳素結構鋼更換為Q345低合金結構鋼。

3.3 優化后模型計算結果

首先計算許用應力σ0值，其計算公式如下：

式中：σs為材料的屈服強度；n為安全系數。

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

式中，σmax為分析解算后的最大應力值。

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

圖9 優化后應力云圖分布（單元節點最大主應力）

圖10 優化后應力云圖分布（單元節點的Von Mises）

在常規疲勞設計中，許用安全系數推薦用表如表3所示，安全系數推薦用值如表4所示。

表3 許用安全系數

表4 安全系數推薦用值

選取安全系數：靜載荷[n]s=1.5，動載荷[n]s=1.5，疲勞載荷[n]-1=1.5。

對結果乘以安全系數，最大應力為307.2 MPa，Von Mises屈服失效分析結果σmax為328.2 MPa，仍小于新選取的材料低合金結構鋼Q345的屈服強度σs（345 MPa），滿足屈服強度設計要求。

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

圖11 可信度分析結果

在后續的沖擊振動試驗未再出現彎曲失效現象。仿真計算及試驗證實設計優化有效。

4 結語

車載顯控設備是人機信息交互的平臺，對顯控設備安裝支撐的環境適應性設計要求較高。本文利用NX對顯控設備支撐架的有限元分析結果與原設計試驗失效部位一致。改進設計后，NX再次仿真結果滿足了材料對使用環境應力的要求，并通過實際試驗驗證。這里將車載環境的動態載荷沖擊響應簡化為靜態問題，通過NX有限元分析，為車載支撐設備設計提供了有效依據。