基于NX nastran新型显示屏支架的有限元分析

刘伟　张江华

【摘 要】针对军用工程机械用的新型显示屏支架的结构特点，提出一种集成Solidworks和NX nasran软件系统对军用工程机械用的新显示屏支架结构进行有限元建模的静力学分析和模态分析的方法，通过分析计算得到在满载工况下的变形情况和应力分布情况，以及支架结构前8 阶的固有频率和振型图，找出其振动的危险区域，为军用工程机械用的新显示屏支架的优化设计提供一种分析评价的依据。

【关键词】显示屏支架；有限元；模态分析

【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

军用工程机械的发展一直受到各军事强国的高度重视。尤其是随着高技术武器装备的大量应用和新的作战理论的形成，各种武器装备机动性能和作战效能的快速提高，对军用工程机械提出了更高的要求。为满足新的作战需求，各国军队在发展各种武器装备的同时，也在不断发展新型军用工程机械，并对己有装备不断进行改进和完善，特别是军工专用工程机械的发展更适应末来作战的需要[1]。我国近几年来军事装备得到了跨越式发展，大量新式飞机、舰船等军事装备投入列装。在这些军事设备中大量的使用到电子显示设备，由于军事装备运用环境的特殊要求，电子显示设备的安装方式及显示屏支架结构也得到了大量的研究。

为了解决原有军事设备上使用的显示屏支架的“质量大、不美观、安装不便”等问题。常州伟泰科技有限公司联合常州机电职业技术学院提出了研究开发一种以铆接为主要成型方式的显示屏支架，以解决传统支架的“质量大、不美观、安装不便”问题。安装在军用设备内部取代老产品，达到“质量小、外形美、安装简便”。由于军用设备使用要求的特殊性，所以这种新型支架与传统工业设备使用的显示屏支架相比，其结构要复杂的多，但是其体积和质量要尽量的小，同时还要有足够的刚度和强度能满足设备使用要求，且安装要简便。由于显示屏支架安装使用位置和空间的限制，其安装方式只能是单边底座固定的悬臂支撑方式。但是这种安装方式对振动非常敏感，不允许发生大的振动，同时其固有频率要远离军事设备使用时所可能碰到的振动频率，避免发生共振。因此还要对这种新型的显示屏支架结构整体进行模态分析，来确定其固有频率和振型，以防止设备使用时共振的发生。

本文运用有限元理论基于UG NX平台，对这种新型显示屏支架进行有限元建模及静、动态性能分析，以模拟得到显示屏支架在工作情况中的变形情况及应力分布，以及其固有频率和振型，为后续新型军用显示屏支架的设计优化、试制、型式试验和生产制造提供参考。

1 新型显示屏支架三维模型的建立

1.1 支架轻量化方案确定

通过已有产品的再设计，企业能够提高产品族中的平台通用性，实现规模经济效益[2]。原支架为铸铝结构，借鉴相关行业轻量化技术可以使用焊接结构或铆接结构进行新产品的整体轻量化。

在本项目需求中支架是应用在军用工程机械装备内部，显示屏支架主要完成显示设备的安装及支撑作用、同时在军用工程机械装备高速移动时减缓对显示设备的振动和冲击。新型的显示屏支架能够方便的到军用工程设备应用现场替换老型号产品。针对上述需求对焊接结构和铆接结构进行对比：

首先，在军用工程机械装备内部使用的显示屏支架，静态受力载荷简单但动态受力载荷比较复杂。研究显示，在静态测试中点焊连接的强度要比自冲铆接连接大，然而在疲劳测试中自冲铆接连接性能要好得多。在106次的循环里，自冲铆接连接疲劳强度是点焊连接强度的两倍[3]。可见，在动态载荷条件下自冲铆接的性能比焊接要好。

其次，铝合金焊接有以下难点：铝合金焊接容易产生气孔、铝合金焊接易产生热裂纹还有由于其线膨胀系数大，易产生焊接变形。而自冲铆接工艺过程的普遍特征工序周期短是所有，通常一个铆接工序周期仅为几秒。此外，自冲铆接工艺作为新型板件连接工艺相对于其它连接工艺（如电阻点焊工艺）仍有如下突出优点：可以铆接多层板材组；无热效应——可以用于涂层或镀层板材的连接而不会破坏其涂镀层，也无其它任何损害。

最后，到现场对既有产品上应用的老型产品改造，铆接过程简单，无需在板材上预先开孔；铆接质量持续稳定，铆接点质量可以通过视觉观察；铆接时无热量、烟、汽、火花、粉尘或碎屑等产生。而焊接结构现场操作不如铆接结构简便。

基于以上三点考虑，新型显示屏支架采用自冲铆接轻量化技术进行整体组装设计。

1.2 支架结构及其技术参数

结合原有铸铝结构的显示屏支架设计方案确定新型的铆接结构的显示屏支架主要由两侧的左、右侧主立板、底座安装板、前安装板、后安装板五个主要部件和各个转角处加强筋板等组成。Haln等研究了在有各种前处理和涂层情况下，铝合金6061的自冲铆接连接和自冲铆接与粘结组合连接的疲劳性能.他们发现在静态测试和疲劳测试中，自冲铆接和粘结组合的连接要比它们各白的连接方法强的多[4]。本文分析的新型显示屏支架主体由铝板6061和铆钉自冲铆接而成。使用Solidworks软件完成新显示屏支架的三维建模设计包括其所有零件三维建模和整个支架的装配，新型显示屏支架的三维结构如图1所示。

2 支架有限元模型的建立

在对新型显示屏支架进行有限元分析之前，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将直接影响到有限元最终分析结果的准确性。有限元分析的最终目的是要还原一个实际工程系统的数学行为特征，因而，在进行有限元分析前首先需要建立针对具体问题的有限元模型。能否建立准确而合理的有限元模型，直接关系到有限元分析的结果是否正确。但在实际工程应用中，模型往往极其复杂，要想原样照搬是不太可能的，因此在有限元建模过程中需要对有限元模型进行必要的简化，否则，复杂模型的有限元计算会变得异常困难甚至可能无法得到计算结果。最为接近设计模型的有限元模型，就是直接利用Solidworks软件完成新显示屏支架的三维建模的数据进行有限元分析。新型显示屏支架的绝大部分结构件和覆盖件都是厚度为3mm的铝制板件，其长度和宽度尺寸相对厚度要大许多，由于其上需安装显示屏及许多附件如管线、安装螺丝等，还要考虑与工程车的整体布置及造型的要求，因此结构和形状非常复杂，突缘、沟槽、加强筋板、孔洞等很多。实际新型支架如不经简化直接建立模型进行网格划分，几乎不可行。

如整个新显示屏支架的装配文件在Solidworks软件下打开，利用另存命令将整个装配保存为Parasolid文件。然后转到UG软件下打开这转存新显示屏支架的Parasolid文件。将UG软件转到高级仿真模块下，利用NX nastron新建有限元仿真文件。这时新显示屏支架的装配整个638个零件全部转到了NX nastron下打开了，将整个装配的材料全部定义为Aluminum_6061、物理属性建立PSOLID1、采用3D四面体网格CETTRA（10），为了网格快速划分且失败单元格少使用建议的单元划分。使用这种方式建立的新显示屏支架有限元模型最为接近实物模型。但是由于单元格数量巨大一般计算机设备不能完成其网格的划分。

为了使有限元模型达到预期仿真效果，在建模过程中要遵循“准确性”和“经济性”这两个原则。所谓的“准确性”就是指模型要能够最大限度地保留结构特点和主要力学特性；所谓的“经济性”主要是指建模的周期长短、所需要的人力和计算机的处理能力等因素。在有限元建模过程中，要达到上述两个原则，就需要在尽可能反映其结构主要力学特征的前提下，尽量简化其儿何设计模型，以使有限元模型采用较少的单元和较简单的单元形状。

对新型支架模态分析的有限元模型简化应遵循以下原则：

（1）只考虑新型显示屏支架的主体结构件不考虑其它安装附件的功能件；

（2）新型显示屏支架主体结构件的所有零件全部为薄板件；

（3）进行有限元建模时忽略直径在30mm以下的孔级凸台、凸缘、倒角等特征；

（4）建立有限元模型时忽略其为装配体，将其定义为单一零件忽略三维设计模型上铆钉、销等非重要结构的小零件；

（5）尽量保持这个单一零件与新型显示屏支架的设计结构一致，在主要结构上不进行简化，以真实反映整个装配的结构特征。

基于以上原则在UG软件下重新建立有限元分析用的新型显示屏支架整体结构模型如图2新型显示屏支架简化三维模所示。

在UG软件下打开简化后的显示屏支架模型，转到UG的高级仿真模块下创建理想化几何体。提取新型显示屏支架简化三维模型外表面为理想化几何体，以此创建FEM文件。使用指派材料命令定义整个模型的材料为Aluminum_6061；使用物理属性命令定义其类型为PSHELL壁厚定为7mm（使用Solidwork s软件完成新显示屏支架的三维建模设计模型体积的为11948206.53mm3，在UG软件下重新建立壁厚为3mm的简化模型体积为5227465.11mm3，当简化模型的壁厚为7mm时的体积最为接近其三维建模设计模型的体积）；使用网格收集器命令创建网格收集器；使用2D网格命令对其进行网格划分，单元类型定义为CQUAD8，单元大小定义为25mm进行网格划分；划分网格完成后使用单元质量命令对划分的网格质量进行检查，结果显示有57个错误的单元格整体的网格单元数为3035；使用分割壳命令对划分出错的单元格进行修改完成后的网格划分如图3支架网格划分后示意图所示。

3 新型显示屏支架模态分析

CAE是对数字化产品的性能进行分析或仿真，其目的是在产品物理样机实现以前，对产品性能进行全面预测和优化，以提高产品性能和减小物理样机的制作次数。有限元法是CAE的主要方法，由于其独特的优越性，因此在产品开发中得到广泛应用。[5]结构动力学分析对任何涉及非静力机构的设计都非常重要。军用工程机械在正常工作时，由于频繁的启动和制动，以及工作场地的复杂性，往往会产生振动。另外，由于这种新型显示屏支架的工作功能就是减少其上安装设备的振动，特别是当这些外部激励振动和支架的固有频率接近时，甚至会引起共振，对显示屏支架及其上设备的造成破坏。所以希望通过对其进行模态分析得到新型支架的固有频率和振型，避免在实际工作中产生共振。有限元模态分析是以模态矩阵作为变换矩阵，将原物理坐标变换到自然坐标，使系统在原坐标下的耦合方程组变成一组互相独立的二阶常微分方程，用单自由度系统的振动方程求解，得到系统各阶模态的振动，再通过模态叠加，回到原来的物理坐标[6]。

NX Nastran是一种简便而功能强大的有限元建模与分析工具。它提供设计工程师和分析人员进行几何建模设计与分析需要的一种分析环境。结构性能的有限元分析是机械设计中的一个重要环节，其基本步骤为：建立结构的几何模型，约束和受力的简化，有限元网格的生成逊理包括点、线、面及体等几何信息，及约束、受力及温度等属性信息久有限元计算，结果分析及设计改进等[7]。本文运用有限元理论基于UG NX平台，对这种新型军用显示屏支架进行有限元动态性能分析，以模拟得到显示屏支架在工作情况中的变形情况及应力分布，以及其固有频率和振型，为后续新型军用显示屏支架的设计优化、试制、型式试验和生产制造提供参考。使用新建仿真命令在上述完成的FEM文件基础上新建仿真文件，解算方案类型选择SOL103、选择其下的工况控制选项卡中的Lanczos数据右侧的创建模型对象按钮完成模态分析的模态参数的设置操作；进入仿真文件界面后使用约束命令在仿真模型的底部添加固定约束；点击求解命令进行求解；等计算完成出现“作业已完成”提示后可以双击模型树上结果节点进行新型显示屏支架约束模态的结果观查。由于篇幅限制振型图只选取前8阶，如图4～图11所示。新型显示屏支架前8阶模态分析结果如表1所示。

4 结语

1）本文利用UG NX 软件对新型显示屏支架进行有限元建模，并做了静力学分析和模态分析，得到了新型显示屏支架在最恶劣的工作条件下的受力变形和应力分布，以及其固有频率和振型分析结果表明该支架的结构设计满足刚度、强度要求，结果数据可以作为进一步优化主梁结构的依据。

2）从第5阶的振型图可以看出，最大位移发生在前立板中部，从振型图4～图11可以看出，低阶振型主要是在支架的上部引起弯曲、摆动和扭转，新型显示屏支架的上部是危险区域。

3）为了避免新型显示屏支架及其上安装的设备发生共振而造成严重破坏，应该尽量使可能激励源的频率避开模态分析得到的固有频率，也可以通过在上部增加筋板调整参数来避开固有频率。

4）由于工作环境的特殊性，提高显示屏支架的抗振性能非常重要，可以通过增加在危险区域的加强筋板数量，在底部安装座安装防振安全垫及增大整体刚度系数等方法来实现。

【参考文献】

[1]张欲保.军用工程机械的发展、分析与未来[J].交通世界（建养.机械），2009，19：41.

[2]Nanda J，Thevenot H J，Simpson T W.Product family representation and redesign：increasing commonality using formal concept analysis[C] Proceedings of ASME Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference，Long Beach，2005：969-978.

[3]A.R.Krause，R.A.Chernenkoff.A comparative study of the fatigue behavior of spot- welded and mechanically fastened aluminuet joints [J].Society of Automotive Engineers，1995，45（3）：85-88.

[4]O.Hahn，G.Meschut，A.Peetz.Mechanical properties of punchriveted and adhesive—bonded aluminum[J].Welding and Clxtting，1999，51（7）：85-95.

[5]杜平安，于亚婷，刘建涛.有限元法原理、建模及应用[M].北京：国防工业出版社，2011.

[6]白化同，郭继忠.模态分析理论与实验[M].北京：北京理工大学出版社，2001.

[7]徐毅，原思聪，朱秋菊，樊菲.基于NX Nastran的液压换管机关键零件有限元分析与优化[J].起重运输机械，2011，6：70.

[责任编辑：李书培]