一種車載顯控終端的振動分析和試驗驗證

摘要：在軍用車輛中，車載顯控終端的可靠性直接關系到整個系統的作戰效能。為了確保在復雜多變的野外環境中能夠高效、穩定地運行，對其進行環境適應性分析尤為必要。針對車載顯控終端的使用特點，首先建立三維模型，而后對其進行了模態分析，進而分析了三個軸向的隨機振動，并進行了隨機振動試驗。仿真結果和試驗驗證表明，車載顯控終端結構合理、環境適應性強，滿足車載振動環境的使用需求。

關鍵詞：車載顯控終端；模態分析；隨機振動分析；試驗驗證

中圖分類號：TH123；U467.1 收稿日期：2024-08-31

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.10.019

1 前言

為了適應作戰部隊的“全域機動、立體攻防、多維多能”迫切需求，軍用車輛不僅要具有克服凸嶺、凹坑、壕溝、陡坡等地形的通過能力和通過淤泥、冰雪、沙漠、碎石等松軟、濕滑路面的地面通過能力，而且需要兼顧公路行駛和越野行駛要求[1]。執行任務的軍用車輛面對任務區域的復雜性，需要具有輕巧靈活、通過性好、機動能力強、適應性強等特點[2]，因此，車載顯控終端必須適應復雜的車載振動環境，才能滿足使用需求。

2 車載顯控終端結構設計

車載顯控終端如圖1所示，主要顯示前端光電設備采集的可見光視頻和紅外視頻以及目標信息，并且對其進行記錄存貯，方便后期查證。結合使用環境及內部各功能模塊的工作特點，車載顯控終端采用全密閉導冷+強迫風冷散熱結構設計思路，設備主體采用鋁合金材料一體化銑削成形，結構緊湊、堅固，剛度強度均符合要求，且防水、防砂塵性能較好；殼體間設置凹槽填充導電橡膠條，內部密封性良好，同時使整機形成電連續性良好的封閉電磁屏蔽腔，起到電磁屏蔽的作用。

車載顯控終端主要由前殼體組件和后殼體組件拼合組成，其中前殼體組件包括液晶顯示模組、屏邊鍵模塊、按鈕開關組件及揚聲器和麥克風，后殼體組件包括計算機主板組件、電子盤、電源濾波器、電源模塊、接口板、風扇及對外電連接器接口，各模塊區域劃分合理，內部走線規整；前殼體與后殼體連接處設有溝槽，槽內布置導電膠條，確保腔體內部形成屏蔽性良好的電磁密閉腔體，為終端各模塊提供良好的工作環境和電磁環境。車載顯控終端的殼體不僅為電子信息模塊提供物理支撐，也為電子信息模塊防護起到不可或缺的作用。

基于人機工程學[3-6]的考慮，最佳視野界限為0°～下30°，因此，車載顯示器與水平面夾角為75°左右時用戶的體驗感最佳，因此，車載顯控終端的安裝面與水平面夾角為75°，如圖2所示。

3 車載顯控終端有限元仿真分析

3.1 模型的建立

通常情況下，采用Workbench軟件自帶的DM模塊直接建模存在過程復雜且不易修改等不足，所以本文采用Solidwork三維軟件對車載顯控終端進行建模，并通過另存為xt文件導入有限元軟件，保證模型準確性和分析實時性的優點。

3.2 網格劃分

網格劃分是有限元分析前處理中至關重要的一步，其中網格劃分的形式與質量均對有限元分析結果產生直接影響，但是對模態分析結果不影響。為了提高車載顯控終端的計算效率，根據有限元分析劃分網格的基本規則，對模型進行一定的優化與處理后再導入有限元軟件中進行網格劃分。經過對模型的優化與處理，最后得到質量高的網格劃分模型，其單元數為172 030，節點數為342 216。

3.3 材料屬性定義

根據車載顯控終端的工作環境以及性能要求，設置前殼體和后殼體材料為6061鋁合金，散熱塊為純銅T3，主板和驅動板為FR-4，屏組件為玻璃等，其主要性能參數如表1所示。

3.4 模態分析

無外載荷作用下，機械結構在初始擾動作用下的振動為自由振動。無阻尼系統的自由振動頻率為機械結構的固有頻率，相應的振型成為結構的固有振型。物體按照某階固有頻率振動時，物體上各點以一定比例的偏移，可用向量進行表示，稱之為模態。模態分析則是確定物體的振動特性，即固有頻率和模態振型。一般采用理論計算、試驗激勵和仿真分析獲得。本文采用仿真分析的方式獲得車載顯控終端的固有頻率和模態振型。

車載顯控終端通過后殼體安裝到顯控臺上，后殼體通過6個M5螺釘與顯控臺固連。在進行邊界條件設定時，根據上述連接情況，進行設備與顯控臺的接觸設定，將后殼體螺釘孔設定為固定約束，同時，施加重力約束，進行模態分析計算，1階和2階振型如圖3所示，3階和4階振型如圖4所示，5階和6階振型如圖5所示。

3.5 隨機振動分析

在車載振動環境中，載荷是不確定的，而隨機振動分析是用概率統計的方法研究非確定性載荷激勵結構的振動情況，確定結構的穩定性和可靠性[7-8]。車輛在凹凸不平的路面上行駛時產生的振動為隨機振動，為模擬振動工況，根據GJB150.16A—2009[9]的要求，組合輪式車的振動圖譜為C.3，具體頻點和振動加速度如表3所示，其中，g2/Hz是指功率譜密度單位。

隨機分析結果服從高斯分布，采用3σ法進行應力和變形的數據統計，即落入[-3σ，3σ]的概率為99.73%，垂向隨機振動應力和變形如圖6所示，橫向隨機振動應力和變形如圖7所示，縱向隨機振動應力和變形如圖8所示。可以看出，縱向應力和變形最大，即所設計車載顯控終端結構模型最大應力值93.888 MPa，應力小于93.888 MPa的概率為99.73%，即所設計車載顯控終端結構模型最大變形值0.31269 mm，小于0.31269 mm的概率為99.73%，其余0.27%的變形和應力可以假定不對設備造成任何損傷。結合材料的屈服極限，安全系數為3.6，分析表明，車載顯控終端滿足組合輪式車輛的振動使用環境。

4 試驗驗證

為保證車載顯控終端裝車后工作可靠性，樣機聯調完成后，由于某型邊防車需要在行進中工作，因此，進行了帶電工作狀態的振動試驗。振動試驗采用GJB150.16A—2009[9]組合輪式車輛振動環境圖C.3的規定，3個軸向每個軸向持續時間1 h，試驗狀態如圖9所示，垂向和縱向的振動試驗曲線如圖10所示，垂向的振動試驗曲線如圖11所示。

試驗過程中檢查車載顯控終端，未發現松動、脫落現象，以及閃屏等異常情況，表明車載顯控終端設計合理、裝配可靠，能夠滿足復雜振動沖擊環境的使用工況。

5 結語

本文以車載顯控終端為研究對象，首先進行了結構設計，并采用有限元軟件對其進行模態分析、隨機振動分析，并對實際樣機進行振動試驗。分析和測試結果表明，車載顯控終端結構設計科學合理，滿足GJB150.16A—2009中C.3的使用環境，為用戶提供舒適的人機交互體驗。

參考文獻：

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作者簡介：

王文運，男，1987年生，工程師，研究方向為加固設備、光電裝備的設計開發。