操控臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及運輸包裝方法研究

徐超亮，吳波，鄭宏軍，尤磊，葉棟

（中國電子科技集團第五十二研究所，杭州 311100）

操控臺為軟件運行、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲平臺，具備顯控軟件運行、顯示控制和數(shù)據(jù)處理功能，為指揮操作人員提供人機交互平臺[1]。操控臺在車載運輸過程中會經(jīng)過較長的戈壁、碎石等環(huán)境惡劣路段，惡劣環(huán)境路段是隨機振動產(chǎn)生相對集中的環(huán)節(jié)[2]，操控臺結(jié)構(gòu)應(yīng)保證能夠承受車輛在以上復(fù)雜惡劣路況行駛時產(chǎn)生的振動。

目前，市面上常見的操控臺臺體部分通常是拼裝式結(jié)構(gòu)，采用1.2～2.5 mm 鍍鋅板焊接而成，橫梁及拐角處的焊接工藝通常為點焊，且安裝孔位通常是腰孔。因此，面對復(fù)雜惡劣的路況所帶來的隨機振動，臺體主體結(jié)構(gòu)框架強度不夠，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)散架等失效現(xiàn)象[3-4]。

國內(nèi)外對操控臺包裝方法的研究較少，常見的包裝方式是在包裝箱底板粘貼1～3 cm 厚的襯墊，并在臺體棱角處包裹1 cm 厚的襯墊外加塑封袋纏繞；在包裝箱底板固定4 塊木塊實現(xiàn)對操控臺的限位。上述包裝方式僅適用于高速公路運輸及存在少量惡劣環(huán)境的路段。在運輸經(jīng)過長時間惡劣路段時，操控臺在包裝箱內(nèi)部產(chǎn)生劇烈相對位移，四周襯墊產(chǎn)生破損，導(dǎo)致操控臺外觀發(fā)生嚴重磨損，內(nèi)部結(jié)構(gòu)失效，因此該包裝方法不能達到保護臺體結(jié)構(gòu)的目的[5]。

基于上述背景，本文首先建立有限元模型，并通過仿真計算分析出操控臺結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力處的結(jié)構(gòu)，并對其進行優(yōu)化設(shè)計[6]；然后提出一種加固木箱填充聚氨酯發(fā)泡材料的包裝方法，通過有限元仿真計算和剩余強度系數(shù)公式評估強度安全；最后進行隨機振動環(huán)境試驗驗證，滿足國軍標振動試驗指標和惡劣顛簸路段運輸要求。

1 操控臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化及包裝方法

1.1 操控臺結(jié)構(gòu)組成

常見的操控臺結(jié)構(gòu)和包裝方法如圖1 所示。

圖1 常見操控臺結(jié)構(gòu)及包裝方式Fig.1 Common console structure and packaging

操控臺的外觀尺寸約為1 200 mm（長）×1 000 mm（寬）× 800 mm（高），質(zhì)量約為200 kg。操控臺由顯示器、計算機、臺體組成，其中臺體面板包含硬功能鍵模塊、鍵盤鼠標、音視頻終端等設(shè)備，臺體內(nèi)部設(shè)計含走線系統(tǒng)、接口面板及抽拉系統(tǒng)。在實際運輸過程中，將顯示器和計算機拆除進行單獨包裝運輸，因此結(jié)構(gòu)失效主要集中在臺體承重部分。

隨機振動試驗是檢驗設(shè)備動力學(xué)環(huán)境試驗的重要組成部分[7]。通過隨機振動試驗?zāi)M操控臺運輸至惡劣環(huán)境路段時所承受的振動，可以減少整車試驗的時間和成本。對剛出廠的操控臺進行隨機振動試驗，包裝方式采用在包裝箱底板粘貼1～3 cm 厚的襯墊，臺體棱角處包裹1 cm 厚的襯墊外加塑封袋纏繞，包裝箱底板固定4 塊木塊進行限位。按照標準中C.1 高速公路卡車振動環(huán)境，垂向（y向）、橫向（z向）、縱向（x向）三向每向120 min；C.3 組合輪式車輛振動環(huán)境，垂向（y向）、橫向（z向）、縱向（x向）三向每向30 min 進行考核。在隨機振動試驗標準中常給出加速度譜密度隨頻率變化曲線，以此為參考譜進行隨機振動控制實驗。2 種條件圖譜見圖2[8]。

圖2 振動試驗圖譜Fig.2 Atlas of vibration test

在隨機振動試驗過程中，臺體在C.3 組合輪式車輛振動環(huán)境下出現(xiàn)了包裝箱拼裝部位開裂的現(xiàn)象。經(jīng)開箱檢查，臺體內(nèi)部焊接梁斷裂、鈑金件拐角焊接部位開裂、臺面磨損嚴重，失效現(xiàn)象如圖3 所示。

圖3 臺體失效現(xiàn)象Fig.3 Platform failure

對失效現(xiàn)象進行排查分析，操控臺的主要失效原因為臺體框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性不足，以及包裝規(guī)格未達標準，導(dǎo)致臺體在包裝箱內(nèi)部產(chǎn)生劇烈相對位移。因此首先需要對操控臺臺體框架結(jié)構(gòu)進行加固設(shè)計，通過有限元仿真可以分析出臺體相對薄弱處的部位[9]；其次需要對包裝方案進行改進設(shè)計，避免操控臺的失效。

1.2 操控臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對操控臺進行隨機振動仿真分析，采用軟件建立有限元模型，以下分析也基于該軟件。

操控臺模型采用產(chǎn)品設(shè)計原始三維模型，仿真時根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特性對模型進行合理簡化，去除不影響結(jié)構(gòu)強度和剛度的倒角、一些航插以及安裝孔等，保留完整的結(jié)構(gòu)框架及局部特征，采用質(zhì)點補充簡化后丟失的質(zhì)量。操控臺內(nèi)各零件相互之間連接采用Bond 連接方式。根據(jù)設(shè)備實際材料屬性，定義各結(jié)構(gòu)件相關(guān)材料屬性。通過四面體與六面體相結(jié)合的方式對模型進行網(wǎng)格劃分，使模型網(wǎng)格劃分后各網(wǎng)格的網(wǎng)格質(zhì)量Skewness 值基本達到0.75 以下[10]。圖4 顯示了有限元模型簡化后的網(wǎng)格劃分模型，模型共包含166 951 個節(jié)點，73 147 個單元。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)Fig.4 Meshing structure

根據(jù)操控臺在振動臺實際安裝固定方式，對操控臺設(shè)置相關(guān)相關(guān)約束條件，然后對操控臺進行模態(tài)分析，得到操控臺的前6 階模態(tài)如表1 所示。前6 階模態(tài)振形如圖5 所示。

表1 前6 階模態(tài)Tab.1 The first six modes

圖5 前6 階模態(tài)振型Fig.5 Diagram of the first six modes

對操控臺進行頻譜分析，施加組合輪式車載PSD隨機相應(yīng)譜，提取相應(yīng)方向3 倍均方根應(yīng)力計算值。仿真后操控臺的3 倍均方根應(yīng)力云圖如圖6 所示。

圖6 操控臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后仿真圖Fig.6 Simulation diagram before and after console structure optimization

圖6 中可以看出，采用傳統(tǒng)包裝方式的傳統(tǒng)的操控臺結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為1 520 MPa，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在固定接口面板及抽拉系統(tǒng)的立柱及橫梁的連接處。仿真結(jié)果與實驗結(jié)果一致，模型建模及簡化合理，滿足仿真要求。

導(dǎo)致操控臺失效的主要因素是立柱及橫梁的連接處焊接強度不夠，活動部件的限位不充分，缺乏加固設(shè)計。在焊接工藝和裝配方式兩方面對上述缺陷進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化的方案為：在立柱及橫梁的焊接拐角處增加L 型轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)件進行加固焊接；內(nèi)部焊接橫梁及豎向固定立柱由方孔改為預(yù)埋螺紋孔，減小臺體內(nèi)部安裝部件的活動間隙，確保安裝強度；橫梁及立柱焊接處、臺架周圍拐角處增加焊接點位，加固焊接。操控臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的對比圖如圖7 所示。

圖7 操控臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對比Fig.7 Comparison before and after console structure optimization

對優(yōu)化后的操控臺進行隨機振動仿真分析，結(jié)果見圖8。圖8 中可以看出，操控臺結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為1 047 MPa，較改進前有了明顯的降低，說明優(yōu)化后的操控臺結(jié)構(gòu)整體剛度增加，力學(xué)性能較好。

圖8 操控臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化后仿真Fig.8 Simulation after console structure optimization

1.3 操控臺包裝方法

由于傳統(tǒng)的包裝方式無法將外形不規(guī)則的操控臺充分包裹，臺體在箱體內(nèi)部產(chǎn)生相對位移導(dǎo)致失效。所以需要將操控臺在箱體內(nèi)部充分限位，發(fā)揮防撞抗振效能。在此基礎(chǔ)上，通過市場調(diào)研，采用一種加固木箱填充聚氨酯發(fā)泡劑的包裝方法，木箱為拼接結(jié)構(gòu)，發(fā)泡劑為模塊形式，既可以實現(xiàn)操控臺的防撞抗振，也可滿足包裝的復(fù)用。

聚氨酯發(fā)泡劑全稱為單組分聚氨酯泡沫填縫劑，是氣霧技術(shù)和聚氨酯泡沫技術(shù)交叉結(jié)合的產(chǎn)物，它是一種將聚氨酯預(yù)聚物、發(fā)泡劑、催化劑等組分裝填于耐壓氣霧罐中的特殊聚氨酯產(chǎn)品。當物料從氣霧罐中噴出時，沫狀的聚氨酯物料會迅速膨脹并與空氣或基體中的水分發(fā)生固化反應(yīng)形成泡沫，其具有高膨脹、高強度的優(yōu)點，通常應(yīng)用于門窗與墻體之間的填縫密封、隔音消音、陶瓷玻璃等易碎或精密產(chǎn)品包裝等場合[11-12]。在包裝箱與臺體之間的間隙處裝入隔熱塑料袋，并向袋中注射液體狀態(tài)的聚氨酯發(fā)泡劑。聚氨酯發(fā)泡劑會劇烈反應(yīng)并迅速膨脹，填充滿臺體與包裝箱四周的間隙，從而實現(xiàn)對操控臺的充分包裹。采用新型包裝方式的操控臺如圖9 所示。

圖9 采用新型包裝方式的操控臺Fig.9 Console with new packaging

2 仿真結(jié)果及試驗驗證

2.1 有限元仿真驗證

對采用新型包裝方法及結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的操控臺進行隨機振動仿真分析。建模時對產(chǎn)品模型進行簡化，去除不影響結(jié)構(gòu)強度和剛度的倒角、一些航插以及安裝孔等，保留完整的結(jié)構(gòu)框架及局部特征，采用質(zhì)點補充簡化后丟失的質(zhì)量。操控臺內(nèi)各零件相互之間連接采用Bond 連接方式。根據(jù)設(shè)備實際材料屬性，定義各結(jié)構(gòu)件相關(guān)材料屬性，其中聚氨酯材料的密度為800 kg/m3，彈性模量為20 MPa，泊松比為0.45[13-14]。通過四面體與六面體相結(jié)合的方式對模型進行網(wǎng)格劃分，使模型網(wǎng)格劃分后各網(wǎng)格的網(wǎng)格質(zhì)量Skewness值基本達到0.75 以下。模型共包含293 383 個節(jié)點，96 847 個單元。

根據(jù)操控臺在振動臺實際安裝固定方式，對操控臺設(shè)置相關(guān)相關(guān)約束條件，然后對操控臺進行模態(tài)分析，得到操控臺的前6 階模態(tài)如表2 所示。

表2 改進后前6 階模態(tài)Tab.2 Improved first six modes

對操控臺進行頻譜分析，施加組合輪式車載PSD隨機相應(yīng)譜，結(jié)果提取相應(yīng)方向的3 倍均方根應(yīng)力計算值。仿真后操控臺的3 倍均方根應(yīng)力云圖見圖10。從結(jié)果中可以看出，改進后操控臺的最大3 倍均方根等效應(yīng)力為218.58 MPa。

圖10 改進后的操控臺仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of improved console

針對上述應(yīng)力計算結(jié)果，采用式（1）所示的剩余強度系數(shù)公式評估強度安全。結(jié)構(gòu)強度是結(jié)構(gòu)承受外載荷作用的能力，即抵抗斷裂失穩(wěn)不容許變形或位移的能力。剩余強度系數(shù)代表材料的強度極限與結(jié)構(gòu)在載荷作用下的工作應(yīng)力的比值，因此剩余強度的計算關(guān)系到結(jié)構(gòu)工作的可靠性。按剛度設(shè)計的剩余強度系數(shù)至少大于等于1[15-16]。

表3 歸納計算了3 種操控臺狀態(tài)下的剩余強度系數(shù)。可見，優(yōu)化結(jié)構(gòu)及改進包裝后的操控臺剩余強度系數(shù)大于1，滿足振動功能強度安全要求。

表3 隨機振動仿真分析剩余強度系數(shù)Tab.3 Residual strength coefficient of random vibration simulation analysis

式中：η為剩余強度系數(shù)；sσ為鍍鋅鋼板的屈服強度，為358 MPa[17]；RMS3σ為仿真計算的最大等效應(yīng)力。

2.2 隨機振動試驗

實驗?zāi)康模和ㄟ^對操控臺進行隨機振動摸底試驗，驗證操控臺的包裝方法是否合理，驗證結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的操控臺能否通過振動試驗。

試驗條件：本試驗按照標準中C.1 和C.3 帶包裝振動進行考核。條件1：按標準中第4 類圖C.1 譜形（圖2a），垂向（y向），橫向（z向），縱向（x向）三向，每向120 min。條件2：按標準中第4 類圖C.3譜形（圖2b），垂向（y向），橫向（z向），縱向（x向）三向，每向30 min。

實驗設(shè)備：采用蘇州蘇試廣博環(huán)境可靠性實驗室有限公司的 8 t 量級電動振動試驗臺，型號為DH–8000–80/sv–0505。

試驗方法：將包裝箱吊裝至振動臺面居中放置，通過壓桿螺桿將箱體固定，并在箱體4 周固定鐵塊進行限位；如圖11 所示，施加隨機振動試驗圖譜，通過與振動臺面粘貼的傳感器讀取包裝箱的位移曲線。

圖11 操控臺隨機振動試驗Fig.11 Random vibration test of console

試驗現(xiàn)象：試驗結(jié)束后對操控臺進行功能性及結(jié)構(gòu)性驗證，如圖12 所示；從圖12 中可以看出包裝箱外形無開裂、損壞等現(xiàn)象，拆除包裝箱后，臺體表面無磨損現(xiàn)象，臺體內(nèi)部結(jié)構(gòu)均完整。振動曲線是反映被試產(chǎn)品在振動過程中是否會超過振動臺最大行程，圖12c 中曲線可以看出藍色曲線在相鄰曲線中間，說明在操控臺在實驗過程中未出現(xiàn)過位移等失效現(xiàn)象。

圖12 操控臺試驗后檢查Fig.12 Post-test inspection of console

試驗結(jié)論：對操控臺進行優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計并采用新型包裝方式后，能夠滿足隨機振動試驗的考核要求，并且驗證了有限元分析計算的合理性和準確性。

3 結(jié)語

在大型設(shè)備上，試驗標準下，新的包裝技術(shù)是一種全新的嘗試。本文建立了操控臺的有限元模型，進行了隨機振動分析，對其結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力處進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并提出了一種木箱填充聚氨酯發(fā)泡材料的包裝方法。通過有限元分析和隨機振動試驗驗證該包裝方法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的合理性。優(yōu)化后的操控臺已成功通過國軍標振動試驗和惡劣顛簸路段的運輸測試。本文的理論分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以及全新的包裝技術(shù)，對大型臺體類設(shè)備在抗振設(shè)計上提供了積極的參考價值。