基于NX nastran新型顯示屏支架的有限元分析

劉偉　張江華

【摘 要】針對軍用工程機械用的新型顯示屏支架的結(jié)構特點，提出一種集成Solidworks和NX nasran軟件系統(tǒng)對軍用工程機械用的新顯示屏支架結(jié)構進行有限元建模的靜力學分析和模態(tài)分析的方法，通過分析計算得到在滿載工況下的變形情況和應力分布情況，以及支架結(jié)構前8 階的固有頻率和振型圖，找出其振動的危險區(qū)域，為軍用工程機械用的新顯示屏支架的優(yōu)化設計提供一種分析評價的依據(jù)。

【關鍵詞】顯示屏支架；有限元；模態(tài)分析

【Abstract】According to the characteristics of military construction machinery with new display screen bracket structure proposed new screen bracket structure of an integrated in SolidWorks and Nx nasran software system of military engineering machinery with the finite element modeling of the static analysis and modal analysis method，through analysis and calculation obtained under full load conditions of deformation and stress distribution，and the support structure of 8th Order inherent frequency and vibration type figure，find out the dangerous area of the vibration，provide a basis to analysis and evaluation of new screen support for military construction machinery optimization design.

【Key words】Display screen support；Finite element method；Modal analysis

0 引言

軍用工程機械的發(fā)展一直受到各軍事強國的高度重視。尤其是隨著高技術武器裝備的大量應用和新的作戰(zhàn)理論的形成，各種武器裝備機動性能和作戰(zhàn)效能的快速提高，對軍用工程機械提出了更高的要求。為滿足新的作戰(zhàn)需求，各國軍隊在發(fā)展各種武器裝備的同時，也在不斷發(fā)展新型軍用工程機械，并對己有裝備不斷進行改進和完善，特別是軍工專用工程機械的發(fā)展更適應末來作戰(zhàn)的需要[1]。我國近幾年來軍事裝備得到了跨越式發(fā)展，大量新式飛機、艦船等軍事裝備投入列裝。在這些軍事設備中大量的使用到電子顯示設備，由于軍事裝備運用環(huán)境的特殊要求，電子顯示設備的安裝方式及顯示屏支架結(jié)構也得到了大量的研究。

為了解決原有軍事設備上使用的顯示屏支架的“質(zhì)量大、不美觀、安裝不便”等問題。常州偉泰科技有限公司聯(lián)合常州機電職業(yè)技術學院提出了研究開發(fā)一種以鉚接為主要成型方式的顯示屏支架，以解決傳統(tǒng)支架的“質(zhì)量大、不美觀、安裝不便”問題。安裝在軍用設備內(nèi)部取代老產(chǎn)品，達到“質(zhì)量小、外形美、安裝簡便”。由于軍用設備使用要求的特殊性，所以這種新型支架與傳統(tǒng)工業(yè)設備使用的顯示屏支架相比，其結(jié)構要復雜的多，但是其體積和質(zhì)量要盡量的小，同時還要有足夠的剛度和強度能滿足設備使用要求，且安裝要簡便。由于顯示屏支架安裝使用位置和空間的限制，其安裝方式只能是單邊底座固定的懸臂支撐方式。但是這種安裝方式對振動非常敏感，不允許發(fā)生大的振動，同時其固有頻率要遠離軍事設備使用時所可能碰到的振動頻率，避免發(fā)生共振。因此還要對這種新型的顯示屏支架結(jié)構整體進行模態(tài)分析，來確定其固有頻率和振型，以防止設備使用時共振的發(fā)生。

本文運用有限元理論基于UG NX平臺，對這種新型顯示屏支架進行有限元建模及靜、動態(tài)性能分析，以模擬得到顯示屏支架在工作情況中的變形情況及應力分布，以及其固有頻率和振型，為后續(xù)新型軍用顯示屏支架的設計優(yōu)化、試制、型式試驗和生產(chǎn)制造提供參考。

1 新型顯示屏支架三維模型的建立

1.1 支架輕量化方案確定

通過已有產(chǎn)品的再設計，企業(yè)能夠提高產(chǎn)品族中的平臺通用性，實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟效益[2]。原支架為鑄鋁結(jié)構，借鑒相關行業(yè)輕量化技術可以使用焊接結(jié)構或鉚接結(jié)構進行新產(chǎn)品的整體輕量化。

在本項目需求中支架是應用在軍用工程機械裝備內(nèi)部，顯示屏支架主要完成顯示設備的安裝及支撐作用、同時在軍用工程機械裝備高速移動時減緩對顯示設備的振動和沖擊。新型的顯示屏支架能夠方便的到軍用工程設備應用現(xiàn)場替換老型號產(chǎn)品。針對上述需求對焊接結(jié)構和鉚接結(jié)構進行對比：

首先，在軍用工程機械裝備內(nèi)部使用的顯示屏支架，靜態(tài)受力載荷簡單但動態(tài)受力載荷比較復雜。研究顯示，在靜態(tài)測試中點焊連接的強度要比自沖鉚接連接大，然而在疲勞測試中自沖鉚接連接性能要好得多。在106次的循環(huán)里，自沖鉚接連接疲勞強度是點焊連接強度的兩倍[3]?？梢?，在動態(tài)載荷條件下自沖鉚接的性能比焊接要好。

其次，鋁合金焊接有以下難點：鋁合金焊接容易產(chǎn)生氣孔、鋁合金焊接易產(chǎn)生熱裂紋還有由于其線膨脹系數(shù)大，易產(chǎn)生焊接變形。而自沖鉚接工藝過程的普遍特征工序周期短是所有，通常一個鉚接工序周期僅為幾秒。此外，自沖鉚接工藝作為新型板件連接工藝相對于其它連接工藝（如電阻點焊工藝）仍有如下突出優(yōu)點：可以鉚接多層板材組；無熱效應——可以用于涂層或鍍層板材的連接而不會破壞其涂鍍層，也無其它任何損害。

最后，到現(xiàn)場對既有產(chǎn)品上應用的老型產(chǎn)品改造，鉚接過程簡單，無需在板材上預先開孔；鉚接質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定，鉚接點質(zhì)量可以通過視覺觀察；鉚接時無熱量、煙、汽、火花、粉塵或碎屑等產(chǎn)生。而焊接結(jié)構現(xiàn)場操作不如鉚接結(jié)構簡便。

基于以上三點考慮，新型顯示屏支架采用自沖鉚接輕量化技術進行整體組裝設計。

1.2 支架結(jié)構及其技術參數(shù)

結(jié)合原有鑄鋁結(jié)構的顯示屏支架設計方案確定新型的鉚接結(jié)構的顯示屏支架主要由兩側(cè)的左、右側(cè)主立板、底座安裝板、前安裝板、后安裝板五個主要部件和各個轉(zhuǎn)角處加強筋板等組成。Haln等研究了在有各種前處理和涂層情況下，鋁合金6061的自沖鉚接連接和自沖鉚接與粘結(jié)組合連接的疲勞性能.他們發(fā)現(xiàn)在靜態(tài)測試和疲勞測試中，自沖鉚接和粘結(jié)組合的連接要比它們各白的連接方法強的多[4]。本文分析的新型顯示屏支架主體由鋁板6061和鉚釘自沖鉚接而成。使用Solidworks軟件完成新顯示屏支架的三維建模設計包括其所有零件三維建模和整個支架的裝配，新型顯示屏支架的三維結(jié)構如圖1所示。

2 支架有限元模型的建立

在對新型顯示屏支架進行有限元分析之前，首先要建立它的有限元模型，而有限元模型建立的是否合理將直接影響到有限元最終分析結(jié)果的準確性。有限元分析的最終目的是要還原一個實際工程系統(tǒng)的數(shù)學行為特征，因而，在進行有限元分析前首先需要建立針對具體問題的有限元模型。能否建立準確而合理的有限元模型，直接關系到有限元分析的結(jié)果是否正確。但在實際工程應用中，模型往往極其復雜，要想原樣照搬是不太可能的，因此在有限元建模過程中需要對有限元模型進行必要的簡化，否則，復雜模型的有限元計算會變得異常困難甚至可能無法得到計算結(jié)果。最為接近設計模型的有限元模型，就是直接利用Solidworks軟件完成新顯示屏支架的三維建模的數(shù)據(jù)進行有限元分析。新型顯示屏支架的絕大部分結(jié)構件和覆蓋件都是厚度為3mm的鋁制板件，其長度和寬度尺寸相對厚度要大許多，由于其上需安裝顯示屏及許多附件如管線、安裝螺絲等，還要考慮與工程車的整體布置及造型的要求，因此結(jié)構和形狀非常復雜，突緣、溝槽、加強筋板、孔洞等很多。實際新型支架如不經(jīng)簡化直接建立模型進行網(wǎng)格劃分，幾乎不可行。

如整個新顯示屏支架的裝配文件在Solidworks軟件下打開，利用另存命令將整個裝配保存為Parasolid文件。然后轉(zhuǎn)到UG軟件下打開這轉(zhuǎn)存新顯示屏支架的Parasolid文件。將UG軟件轉(zhuǎn)到高級仿真模塊下，利用NX nastron新建有限元仿真文件。這時新顯示屏支架的裝配整個638個零件全部轉(zhuǎn)到了NX nastron下打開了，將整個裝配的材料全部定義為Aluminum_6061、物理屬性建立PSOLID1、采用3D四面體網(wǎng)格CETTRA（10），為了網(wǎng)格快速劃分且失敗單元格少使用建議的單元劃分。使用這種方式建立的新顯示屏支架有限元模型最為接近實物模型。但是由于單元格數(shù)量巨大一般計算機設備不能完成其網(wǎng)格的劃分。

為了使有限元模型達到預期仿真效果，在建模過程中要遵循“準確性”和“經(jīng)濟性”這兩個原則。所謂的“準確性”就是指模型要能夠最大限度地保留結(jié)構特點和主要力學特性；所謂的“經(jīng)濟性”主要是指建模的周期長短、所需要的人力和計算機的處理能力等因素。在有限元建模過程中，要達到上述兩個原則，就需要在盡可能反映其結(jié)構主要力學特征的前提下，盡量簡化其兒何設計模型，以使有限元模型采用較少的單元和較簡單的單元形狀。

對新型支架模態(tài)分析的有限元模型簡化應遵循以下原則：

（1）只考慮新型顯示屏支架的主體結(jié)構件不考慮其它安裝附件的功能件；

（2）新型顯示屏支架主體結(jié)構件的所有零件全部為薄板件；

（3）進行有限元建模時忽略直徑在30mm以下的孔級凸臺、凸緣、倒角等特征；

（4）建立有限元模型時忽略其為裝配體，將其定義為單一零件忽略三維設計模型上鉚釘、銷等非重要結(jié)構的小零件；

（5）盡量保持這個單一零件與新型顯示屏支架的設計結(jié)構一致，在主要結(jié)構上不進行簡化，以真實反映整個裝配的結(jié)構特征。

基于以上原則在UG軟件下重新建立有限元分析用的新型顯示屏支架整體結(jié)構模型如圖2新型顯示屏支架簡化三維模所示。

在UG軟件下打開簡化后的顯示屏支架模型，轉(zhuǎn)到UG的高級仿真模塊下創(chuàng)建理想化幾何體。提取新型顯示屏支架簡化三維模型外表面為理想化幾何體，以此創(chuàng)建FEM文件。使用指派材料命令定義整個模型的材料為Aluminum_6061；使用物理屬性命令定義其類型為PSHELL壁厚定為7mm（使用Solidwork s軟件完成新顯示屏支架的三維建模設計模型體積的為11948206.53mm3，在UG軟件下重新建立壁厚為3mm的簡化模型體積為5227465.11mm3，當簡化模型的壁厚為7mm時的體積最為接近其三維建模設計模型的體積）；使用網(wǎng)格收集器命令創(chuàng)建網(wǎng)格收集器；使用2D網(wǎng)格命令對其進行網(wǎng)格劃分，單元類型定義為CQUAD8，單元大小定義為25mm進行網(wǎng)格劃分；劃分網(wǎng)格完成后使用單元質(zhì)量命令對劃分的網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查，結(jié)果顯示有57個錯誤的單元格整體的網(wǎng)格單元數(shù)為3035；使用分割殼命令對劃分出錯的單元格進行修改完成后的網(wǎng)格劃分如圖3支架網(wǎng)格劃分后示意圖所示。

3 新型顯示屏支架模態(tài)分析

CAE是對數(shù)字化產(chǎn)品的性能進行分析或仿真，其目的是在產(chǎn)品物理樣機實現(xiàn)以前，對產(chǎn)品性能進行全面預測和優(yōu)化，以提高產(chǎn)品性能和減小物理樣機的制作次數(shù)。有限元法是CAE的主要方法，由于其獨特的優(yōu)越性，因此在產(chǎn)品開發(fā)中得到廣泛應用。[5]結(jié)構動力學分析對任何涉及非靜力機構的設計都非常重要。軍用工程機械在正常工作時，由于頻繁的啟動和制動，以及工作場地的復雜性，往往會產(chǎn)生振動。另外，由于這種新型顯示屏支架的工作功能就是減少其上安裝設備的振動，特別是當這些外部激勵振動和支架的固有頻率接近時，甚至會引起共振，對顯示屏支架及其上設備的造成破壞。所以希望通過對其進行模態(tài)分析得到新型支架的固有頻率和振型，避免在實際工作中產(chǎn)生共振。有限元模態(tài)分析是以模態(tài)矩陣作為變換矩陣，將原物理坐標變換到自然坐標，使系統(tǒng)在原坐標下的耦合方程組變成一組互相獨立的二階常微分方程，用單自由度系統(tǒng)的振動方程求解，得到系統(tǒng)各階模態(tài)的振動，再通過模態(tài)疊加，回到原來的物理坐標[6]。

NX Nastran是一種簡便而功能強大的有限元建模與分析工具。它提供設計工程師和分析人員進行幾何建模設計與分析需要的一種分析環(huán)境。結(jié)構性能的有限元分析是機械設計中的一個重要環(huán)節(jié)，其基本步驟為：建立結(jié)構的幾何模型，約束和受力的簡化，有限元網(wǎng)格的生成遜理包括點、線、面及體等幾何信息，及約束、受力及溫度等屬性信息久有限元計算，結(jié)果分析及設計改進等[7]。本文運用有限元理論基于UG NX平臺，對這種新型軍用顯示屏支架進行有限元動態(tài)性能分析，以模擬得到顯示屏支架在工作情況中的變形情況及應力分布，以及其固有頻率和振型，為后續(xù)新型軍用顯示屏支架的設計優(yōu)化、試制、型式試驗和生產(chǎn)制造提供參考。使用新建仿真命令在上述完成的FEM文件基礎上新建仿真文件，解算方案類型選擇SOL103、選擇其下的工況控制選項卡中的Lanczos數(shù)據(jù)右側(cè)的創(chuàng)建模型對象按鈕完成模態(tài)分析的模態(tài)參數(shù)的設置操作；進入仿真文件界面后使用約束命令在仿真模型的底部添加固定約束；點擊求解命令進行求解；等計算完成出現(xiàn)“作業(yè)已完成”提示后可以雙擊模型樹上結(jié)果節(jié)點進行新型顯示屏支架約束模態(tài)的結(jié)果觀查。由于篇幅限制振型圖只選取前8階，如圖4～圖11所示。新型顯示屏支架前8階模態(tài)分析結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)語

1）本文利用UG NX 軟件對新型顯示屏支架進行有限元建模，并做了靜力學分析和模態(tài)分析，得到了新型顯示屏支架在最惡劣的工作條件下的受力變形和應力分布，以及其固有頻率和振型分析結(jié)果表明該支架的結(jié)構設計滿足剛度、強度要求，結(jié)果數(shù)據(jù)可以作為進一步優(yōu)化主梁結(jié)構的依據(jù)。

2）從第5階的振型圖可以看出，最大位移發(fā)生在前立板中部，從振型圖4～圖11可以看出，低階振型主要是在支架的上部引起彎曲、擺動和扭轉(zhuǎn)，新型顯示屏支架的上部是危險區(qū)域。

3）為了避免新型顯示屏支架及其上安裝的設備發(fā)生共振而造成嚴重破壞，應該盡量使可能激勵源的頻率避開模態(tài)分析得到的固有頻率，也可以通過在上部增加筋板調(diào)整參數(shù)來避開固有頻率。

4）由于工作環(huán)境的特殊性，提高顯示屏支架的抗振性能非常重要，可以通過增加在危險區(qū)域的加強筋板數(shù)量，在底部安裝座安裝防振安全墊及增大整體剛度系數(shù)等方法來實現(xiàn)。

【參考文獻】

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[責任編輯：李書培]