电子训练台安装架开裂原因分析及改进

李晨光 薛 鹏 王晓勇

（西北机电工程研究所，咸阳 712099）

某型电子训练台是一种由计算机实时控制，多系统共同协调工作的模拟设备，该电子训练台主要被用于帮助学员熟悉操作环境并掌握装备主要操作流程及技能。其结构布局、操纵机构、显示设备与实装保持一致或相似，为学员提供一个近乎真实的训练环境[1]。

在试验场进行运输性试验后，对该电子训练台进行开箱检查，发现其安装架支撑槽钢与操纵杆框架焊接处发生断裂现象，如图1所示。分析其断口宏观形貌特征，发现其具有明显的疲劳断口特征，故初步判定该断裂现象是由于局部结构疲劳断裂导致的[2]。

图1 电子训练台局部开裂

本文以该电子训练台为研究对象，采用UG NX10.0高级仿真模块，建立合理力学模型，对其进行结构静力学和疲劳仿真分析。预测该训练台在车载运输过程中的疲劳耐久性能，并提出可行的优化改进措施，满足设备运输性能要求。

1 有限元分析

1.1 创建有限元模型

该电子训练台结构设计采用上、下分体式结构，由1.5mm厚Q235钢板折弯拼焊加工而成。在UG NX10.0中建立三维模型，对模型结构进行必要简化处理，如省略圆角、孔等特征。装配关系选择“面对面粘连”，进而模拟各部件焊接效果。网格划分类型选择“3D四面体网格”，单元属性类型选择“CTETRA（10）”，单元大小为10mm。为提高结构受载后变形和应力计算精度，在发生断裂部分进行网格细化操作，设置槽钢与连接架焊接处单元大小为1mm，划分单元总数389037个，节点总数793559个。

1.2 材料属性

该电子训练台安装架的材料为Q235A，在UG NX的材料库中设置相关参数，屈服强度为σS=235MPa，极限强度σb=460MPa，弹性模量为E=2.1×105MPa，泊松比为μ=0.3，密度ρ=7.8g/cm3。

1.3 边界条件及载荷工况

根据实际车载运输情况，对有限元模型施加的边界条件及载荷分布情况进行分析。对训练台安装架进行静力学分析时，为了使计算结果具有唯一性，系统必须消除结构刚体位移，保证结构总刚度矩阵非奇异[3]。电子训练台运输时采用木箱包装，利用固定板将训练台底部与箱体底部压紧固定，因此在训练台底部添加约束，约束类型选择“固定约束”。

根据《军用物资运输环境条件》（GJB 3493-1998），在运输性试验中，电子训练台经历的运输环境属于Ⅱ类汽车运输[4]。车辆行驶过程中，垂向振动量级远大于横向和纵向的激励，因此在计算过程中，仅考虑训练台在垂向的振动[5]。根据Ⅱ类汽车运输情况下的振动条件，对训练台整体施加竖直方向幅值为25m/s2的振动加速度，结合训练台结构设计模型进行仿真。施加边界条件和载荷后的安装架如图2所示。

图2 训练台所受约束及载荷

1.4 线性静态分析及结果评价

在训练台有限元分析前完成先关参数设置后，对模型进行必要的综合检查，即可进行静力学分析并进行求解处理。本文使用NX NASTRAN求解器，结算方案类型选择SOL 101 Linear Statics -Global Constraints。在仿真导航器中，应力分析云图如图3所示，标记出训练台安装架结构中最危险的部位。

图3 训练台应力分析云图

应力分布图显示该训练台上最大的应力发生在支撑槽钢与操纵杆框架连接处，与实际发生断裂的位置一致。该安装架受到最大的Von Mises应力为109.84MPa。而Q235A的屈服强度σS=235MPa，安全系数nS=1.8，则许用应力[σ]=σS/nS=130MPa，可知在此运输条件下训练台结构所受应力小于材料许用应力，满足静强度要求。模型处于弹性变形阶段时，结构存在局部应力集中现象，在运输过程中受到垂直向的循环往复振动，可能出现疲劳破坏，需在UG NX高级仿真模块进行疲劳耐久性分析。

2 疲劳分析

疲劳寿命可定义为由于“零件由于循环加载而逐渐疲劳，导致裂纹的扩展，最终导致结构断裂而破坏”[6]。疲劳计算基于线性结构裂纹损伤累计（MINER线性累计）原理，假定N为对应于恒幅载荷水平S的疲劳寿命，则每个循环造成的损伤为D=1/N，n个等幅载荷循环造成的损伤为D=n/N；若Ni为对应于当前载荷水平Si的疲劳寿命，n个变幅载荷破坏准则为D=1，即D=1时模型发生破坏。若时间Td内的损伤为D，则疲劳寿命为Tf=Td/D。

UG NX根据材料疲劳属性确定材料的应力/疲劳周期（S-N）曲线，并采用半周期或全周期比例函数的方式，模拟零件所受到循环载荷，然后在一定的疲劳寿命准则下估算出结构各个部分的疲劳寿命，整个疲劳分析操作流程如图4所示。最终根据疲劳分析生成的寿命云图，查看所有单元节点的疲劳寿命情况。

图4 疲劳分析操作流程图

在UG NX材料库中添加Q235A的疲劳属性参数，其中疲劳强度系数σ´=658.8MPa，疲劳强度b=-0.0709，疲劳韧性系数εf´=0.2747，疲劳韧性指数c=-0.4907。在上述静力学分析得到的结构应力、应变结果的基础上，按照疲劳分析操作流程，新建“耐久性结算方案”，应力准则选择“极限应力”，疲劳寿命准则选择“Smith Watson Topper（SWT模型）”，利用垂直于最大主应变平面的最大正应力与最大正应变变幅，建立疲劳寿命分析模型[7-8]。SWT模型计算公式如式（1）所示。

式中，Δεmax为最大正应变幅值；σn为最大正应变面上的最大正应力。疲劳载荷采用1.5倍Von Mises名义应力值载荷，作用周期106次循环，比例函数为全周期[9]。解算疲劳安全因子、疲劳寿命分布图如图5、图6所示。

图5 疲劳安全因子分析云图

图6 疲劳寿命分析云图

根据疲劳安全因子（FSF）云图可知，支撑槽钢与操纵杆框架连接区域单元FSF值为0.819＜1，说明该区域最先产生裂纹和破坏，分析结果与实际故障情况相一致。根据疲劳寿命（FSF）云图可知，支撑槽钢与操纵杆框架连接区域单元疲劳寿命值最短，为1.03×107次工作周期，意味着该区域首先遭到疲劳破坏。

在车辆行驶过程中，由于路面不平引起的车身振动是车载设备产生疲劳破坏的主要原因。根据相关文献，近似的认为Ⅱ类汽车运输条件下车体所受振动冲击的频率f为10Hz，以运载汽车在Ⅱ类汽车运输状态，时速v=50km/h条件下，估算训练台安装架发生疲劳破坏之前的安全运输距离L，如式（2）所示。

式中，t为运输总时间；T为车体振动周期。代入相关数据，可得到训练台安装架的安全运输距离L约为14000km。在电子训练台进行运输性试验之前，在各地已完成一系列性能试验，累计运输里程约18000km，考虑到疲劳寿命计算误差，认为训练台安装架局部已达到疲劳寿命极限，最终导致结构开裂。

3 改进方案

3.1 结构改进及分析

从上述静力学分析和疲劳寿命分析可知，训练台安装架局部存在应力集中，这是导致安装架发生局部开裂的主要原因，因此最终改进方案如下：

第一，增加支撑槽钢的截面尺寸和材料厚度；第二，增加操纵杆框架的截面尺寸和材料厚度；第三，支撑槽钢与操纵杆框架间增加“U”型加强筋。改进后的模型如图7所示。

图7 安装架改进前后对比图

在约束和载荷条件不变的前提下，对改进后的模型进行疲劳分析，计算得到的疲劳寿命云图如图8所示。从疲劳寿命云图可以看出，训练台结构最低疲劳寿命提高至5.8×1015次工作周期，可认为训练台安装架为无限寿命，即在本文给出的振动条件下，训练台安装架结构不会发生疲劳破坏。

图8 结构改进后疲劳寿命云图

3.2 后续试验验证

对电子训练台安装架结构改进后，在试验地点和运输里程不变的情况下进行运输性试验。试验后进行开箱检查，训练台整体结构完好无损伤，可认为改进后的训练台安装架能够承受Ⅱ级汽车运输条件下的振动与冲击，满足运输要求，改进方案可行。

4 结论

本文首先分析了车架断裂特征，根据实际运输性试验条件，应用UG NX10.0高级仿真模块对安装架结构进行静力学分析和疲劳分析，得到安装架所受的应力应变状况以及疲劳性能，确定疲劳失效是导致局部开裂的主要原因。既而针对安装架应力集中部位提出改进方案，对改进后的结构进行有限元分析，对比改进前后疲劳寿命云图可知，改进后安装架寿命明显提高。最后在运输试验条件不变的情况下，对改进后训练台重新进行试验，验证了改进后的安装架能有效解决局部开裂问题。

本文使用的分析方法对于后续产品结构零部件的开发具有借鉴意义，在设计阶段可通过有限元分析法，初步估算出产品性能，并根据分析结果进行产品修正，降低后续试验成本，具有一定的工程应用价值。