徐超亮，吳波，鄭宏軍，尤磊，葉棟

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第五十二研究所，杭州 311100）

操控臺(tái)為軟件運(yùn)行、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)，具備顯控軟件運(yùn)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(jī)交互平臺(tái)[1]。操控臺(tái)在車(chē)載運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的戈壁、碎石等環(huán)境惡劣路段，惡劣環(huán)境路段是隨機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生相對(duì)集中的環(huán)節(jié)[2]，操控臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)保證能夠承受車(chē)輛在以上復(fù)雜惡劣路況行駛時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。

目前，市面上常見(jiàn)的操控臺(tái)臺(tái)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(diǎn)焊，且安裝孔位通常是腰孔。因此，面對(duì)復(fù)雜惡劣的路況所帶來(lái)的隨機(jī)振動(dòng)，臺(tái)體主體結(jié)構(gòu)框架強(qiáng)度不夠，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)散架等失效現(xiàn)象[3-4]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)操控臺(tái)包裝方法的研究較少，常見(jiàn)的包裝方式是在包裝箱底板粘貼1～3 cm 厚的襯墊，并在臺(tái)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(shí)現(xiàn)對(duì)操控臺(tái)的限位。上述包裝方式僅適用于高速公路運(yùn)輸及存在少量惡劣環(huán)境的路段。在運(yùn)輸經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間惡劣路段時(shí)，操控臺(tái)在包裝箱內(nèi)部產(chǎn)生劇烈相對(duì)位移，四周襯墊產(chǎn)生破損，導(dǎo)致操控臺(tái)外觀發(fā)生嚴(yán)重磨損，內(nèi)部結(jié)構(gòu)失效，因此該包裝方法不能達(dá)到保護(hù)臺(tái)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(guò)仿真計(jì)算分析出操控臺(tái)結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力處的結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[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(guò)有限元仿真計(jì)算和剩余強(qiáng)度系數(shù)公式評(píng)估強(qiáng)度安全；最后進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，滿(mǎn)足國(guó)軍標(biāo)振動(dòng)試驗(yàn)指標(biāo)和惡劣顛簸路段運(yùn)輸要求。

1 操控臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及包裝方法

1.1 操控臺(tái)結(jié)構(gòu)組成

常見(jiàn)的操控臺(tái)結(jié)構(gòu)和包裝方法如圖1 所示。

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

操控臺(tái)的外觀尺寸約為1 200 mm（長(zhǎng)）×1 000 mm（寬）× 800 mm（高），質(zhì)量約為200 kg。操控臺(tái)由顯示器、計(jì)算機(jī)、臺(tái)體組成，其中臺(tái)體面板包含硬功能鍵模塊、鍵盤(pán)鼠標(biāo)、音視頻終端等設(shè)備，臺(tái)體內(nèi)部設(shè)計(jì)含走線(xiàn)系統(tǒng)、接口面板及抽拉系統(tǒng)。在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中，將顯示器和計(jì)算機(jī)拆除進(jìn)行單獨(dú)包裝運(yùn)輸，因此結(jié)構(gòu)失效主要集中在臺(tái)體承重部分。

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)是檢驗(yàn)設(shè)備動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)的重要組成部分[7]。通過(guò)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)M操控臺(tái)運(yùn)輸至惡劣環(huán)境路段時(shí)所承受的振動(dòng)，可以減少整車(chē)試驗(yàn)的時(shí)間和成本。對(duì)剛出廠(chǎng)的操控臺(tái)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，包裝方式采用在包裝箱底板粘貼1～3 cm 厚的襯墊，臺(tái)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(jìn)行限位。按照標(biāo)準(zhǔn)中C.1 高速公路卡車(chē)振動(dòng)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(chē)輛振動(dòng)環(huán)境，垂向（y向）、橫向（z向）、縱向（x向）三向每向30 min 進(jìn)行考核。在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中常給出加速度譜密度隨頻率變化曲線(xiàn)，以此為參考譜進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。2 種條件圖譜見(jiàn)圖2[8]。

圖2 振動(dòng)試驗(yàn)圖譜Fig.2 Atlas of vibration test

在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，臺(tái)體在C.3 組合輪式車(chē)輛振動(dòng)環(huán)境下出現(xiàn)了包裝箱拼裝部位開(kāi)裂的現(xiàn)象。經(jīng)開(kāi)箱檢查，臺(tái)體內(nèi)部焊接梁斷裂、鈑金件拐角焊接部位開(kāi)裂、臺(tái)面磨損嚴(yán)重，失效現(xiàn)象如圖3 所示。

圖3 臺(tái)體失效現(xiàn)象Fig.3 Platform failure

對(duì)失效現(xiàn)象進(jìn)行排查分析，操控臺(tái)的主要失效原因?yàn)榕_(tái)體框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性不足，以及包裝規(guī)格未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致臺(tái)體在包裝箱內(nèi)部產(chǎn)生劇烈相對(duì)位移。因此首先需要對(duì)操控臺(tái)臺(tái)體框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元仿真可以分析出臺(tái)體相對(duì)薄弱處的部位[9]；其次需要對(duì)包裝方案進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，避免操控臺(tái)的失效。

1.2 操控臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)操控臺(tái)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)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(tái)模型采用產(chǎn)品設(shè)計(jì)原始三維模型，仿真時(shí)根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特性對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，去除不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(diǎn)補(bǔ)充簡(jiǎn)化后丟失的質(zhì)量。操控臺(tái)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(shí)際材料屬性，定義各結(jié)構(gòu)件相關(guān)材料屬性。通過(guò)四面體與六面體相結(jié)合的方式對(duì)模型進(jìn)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(dá)到0.75 以下[10]。圖4 顯示了有限元模型簡(jiǎn)化后的網(wǎng)格劃分模型，模型共包含166 951 個(gè)節(jié)點(diǎn)，73 147 個(gè)單元。

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

根據(jù)操控臺(tái)在振動(dòng)臺(tái)實(shí)際安裝固定方式，對(duì)操控臺(tái)設(shè)置相關(guān)相關(guān)約束條件，然后對(duì)操控臺(tái)進(jìn)行模態(tài)分析，得到操控臺(tái)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(duì)操控臺(tái)進(jìn)行頻譜分析，施加組合輪式車(chē)載PSD隨機(jī)相應(yīng)譜，提取相應(yīng)方向3 倍均方根應(yīng)力計(jì)算值。仿真后操控臺(tái)的3 倍均方根應(yīng)力云圖如圖6 所示。

圖6 操控臺(tái)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(tái)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(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，模型建模及簡(jiǎn)化合理，滿(mǎn)足仿真要求。

導(dǎo)致操控臺(tái)失效的主要因素是立柱及橫梁的連接處焊接強(qiáng)度不夠，活動(dòng)部件的限位不充分，缺乏加固設(shè)計(jì)。在焊接工藝和裝配方式兩方面對(duì)上述缺陷進(jìn)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(jìn)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(tái)體內(nèi)部安裝部件的活動(dòng)間隙，確保安裝強(qiáng)度；橫梁及立柱焊接處、臺(tái)架周?chē)战翘幵黾雍附狱c(diǎn)位，加固焊接。操控臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的對(duì)比圖如圖7 所示。

圖7 操控臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比Fig.7 Comparison before and after console structure optimization

對(duì)優(yōu)化后的操控臺(tái)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真分析，結(jié)果見(jiàn)圖8。圖8 中可以看出，操控臺(tái)結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為1 047 MPa，較改進(jìn)前有了明顯的降低，說(shuō)明優(yōu)化后的操控臺(tái)結(jié)構(gòu)整體剛度增加，力學(xué)性能較好。

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

1.3 操控臺(tái)包裝方法

由于傳統(tǒng)的包裝方式無(wú)法將外形不規(guī)則的操控臺(tái)充分包裹，臺(tái)體在箱體內(nèi)部產(chǎn)生相對(duì)位移導(dǎo)致失效。所以需要將操控臺(tái)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(guò)市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)操控臺(tái)的防撞抗振，也可滿(mǎn)足包裝的復(fù)用。

聚氨酯發(fā)泡劑全稱(chēng)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(dāng)物料從氣霧罐中噴出時(shí)，沫狀的聚氨酯物料會(huì)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(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，通常應(yīng)用于門(mén)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(chǎng)合[11-12]。在包裝箱與臺(tái)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(huì)劇烈反應(yīng)并迅速膨脹，填充滿(mǎn)臺(tái)體與包裝箱四周的間隙，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)操控臺(tái)的充分包裹。采用新型包裝方式的操控臺(tái)如圖9 所示。

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

2 仿真結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 有限元仿真驗(yàn)證

對(duì)采用新型包裝方法及結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的操控臺(tái)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真分析。建模時(shí)對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(diǎn)補(bǔ)充簡(jiǎn)化后丟失的質(zhì)量。操控臺(tái)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(shí)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(guò)四面體與六面體相結(jié)合的方式對(duì)模型進(jìn)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(dá)到0.75 以下。模型共包含293 383 個(gè)節(jié)點(diǎn)，96 847 個(gè)單元。

根據(jù)操控臺(tái)在振動(dòng)臺(tái)實(shí)際安裝固定方式，對(duì)操控臺(tái)設(shè)置相關(guān)相關(guān)約束條件，然后對(duì)操控臺(tái)進(jìn)行模態(tài)分析，得到操控臺(tái)的前6 階模態(tài)如表2 所示。

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

對(duì)操控臺(tái)進(jìn)行頻譜分析，施加組合輪式車(chē)載PSD隨機(jī)相應(yīng)譜，結(jié)果提取相應(yīng)方向的3 倍均方根應(yīng)力計(jì)算值。仿真后操控臺(tái)的3 倍均方根應(yīng)力云圖見(jiàn)圖10。從結(jié)果中可以看出，改進(jìn)后操控臺(tái)的最大3 倍均方根等效應(yīng)力為218.58 MPa。

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

針對(duì)上述應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，采用式（1）所示的剩余強(qiáng)度系數(shù)公式評(píng)估強(qiáng)度安全。結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(qiáng)度系數(shù)代表材料的強(qiáng)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(qiáng)度的計(jì)算關(guān)系到結(jié)構(gòu)工作的可靠性。按剛度設(shè)計(jì)的剩余強(qiáng)度系數(shù)至少大于等于1[15-16]。

表3 歸納計(jì)算了3 種操控臺(tái)狀態(tài)下的剩余強(qiáng)度系數(shù)。可見(jiàn)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)及改進(jìn)包裝后的操控臺(tái)剩余強(qiáng)度系數(shù)大于1，滿(mǎn)足振動(dòng)功能強(qiáng)度安全要求。

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

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

2.2 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)對(duì)操控臺(tái)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)摸底試驗(yàn)，驗(yàn)證操控臺(tái)的包裝方法是否合理，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的操控臺(tái)能否通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：本試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)中C.1 和C.3 帶包裝振動(dòng)進(jìn)行考核。條件1：按標(biāo)準(zhǔn)中第4 類(lèi)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(biāo)準(zhǔn)中第4 類(lèi)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(shí)驗(yàn)設(shè)備：采用蘇州蘇試廣博環(huán)境可靠性實(shí)驗(yàn)室有限公司的 8 t 量級(jí)電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，型號(hào)為DH–8000–80/sv–0505。

試驗(yàn)方法：將包裝箱吊裝至振動(dòng)臺(tái)面居中放置，通過(guò)壓桿螺桿將箱體固定，并在箱體4 周固定鐵塊進(jìn)行限位；如圖11 所示，施加隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)圖譜，通過(guò)與振動(dòng)臺(tái)面粘貼的傳感器讀取包裝箱的位移曲線(xiàn)。

圖11 操控臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)Fig.11 Random vibration test of console

試驗(yàn)現(xiàn)象：試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)操控臺(tái)進(jìn)行功能性及結(jié)構(gòu)性驗(yàn)證，如圖12 所示；從圖12 中可以看出包裝箱外形無(wú)開(kāi)裂、損壞等現(xiàn)象，拆除包裝箱后，臺(tái)體表面無(wú)磨損現(xiàn)象，臺(tái)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)均完整。振動(dòng)曲線(xiàn)是反映被試產(chǎn)品在振動(dòng)過(guò)程中是否會(huì)超過(guò)振動(dòng)臺(tái)最大行程，圖12c 中曲線(xiàn)可以看出藍(lán)色曲線(xiàn)在相鄰曲線(xiàn)中間，說(shuō)明在操控臺(tái)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)過(guò)位移等失效現(xiàn)象。

圖12 操控臺(tái)試驗(yàn)后檢查Fig.12 Post-test inspection of console

試驗(yàn)結(jié)論：對(duì)操控臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并采用新型包裝方式后，能夠滿(mǎn)足隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的考核要求，并且驗(yàn)證了有限元分析計(jì)算的合理性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語(yǔ)

在大型設(shè)備上，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)下，新的包裝技術(shù)是一種全新的嘗試。本文建立了操控臺(tái)的有限元模型，進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)分析，對(duì)其結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力處進(jìn)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(guò)有限元分析和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)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(tái)已成功通過(guò)國(guó)軍標(biāo)振動(dòng)試驗(yàn)和惡劣顛簸路段的運(yùn)輸測(cè)試。本文的理論分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及全新的包裝技術(shù)，對(duì)大型臺(tái)體類(lèi)設(shè)備在抗振設(shè)計(jì)上提供了積極的參考價(jià)值。