王卓顯，徐興盛，高樹明

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所，山東 青島 266107）

引 言

輕型高機(jī)動(dòng)底盤車具有高機(jī)動(dòng)性、輕巧靈活、通過(guò)性好、機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此車上加裝電子設(shè)備作為指揮、通信和偵察系統(tǒng)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外武器裝備的發(fā)展方向之一[1]。指揮、通信和偵察系統(tǒng)一般都有控制臺(tái)，用于指揮通信、數(shù)據(jù)處理和設(shè)備操控。但是，輕型高機(jī)動(dòng)底盤車為了保持輕巧靈活，外形尺寸比其他底盤車小很多且車內(nèi)空間緊湊，因此設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)緊湊、操控功能多、操控舒適度高的輕型高機(jī)動(dòng)底盤車用控制臺(tái)是目前亟需解決的問(wèn)題。

本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種滿足要求的小型緊湊車輛用控制臺(tái)。根據(jù)控制臺(tái)使用環(huán)境條件，采用有限元分析軟件對(duì)控制臺(tái)進(jìn)行了模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析，并通過(guò)實(shí)際工程應(yīng)用驗(yàn)證了控制臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。

1 控制臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

控制臺(tái)主要安裝于車輛底盤兩側(cè)座椅中間，由臺(tái)體、臺(tái)面以及臺(tái)面上顯控面板安裝凸臺(tái)3部分組成，如圖1所示。異形臺(tái)面與臺(tái)面上顯控面板安裝凸臺(tái)的形狀協(xié)調(diào)統(tǒng)一，臺(tái)面一側(cè)邊豎直，另一側(cè)邊與前面成銳角，臺(tái)面上布置操控手柄。顯控面板安裝凸臺(tái)上安裝顯示操控面板，便于左右兩側(cè)乘坐人員進(jìn)行操作；頂部安裝彈出式插座，用于其他設(shè)備取電或連接網(wǎng)絡(luò)。臺(tái)體形狀與臺(tái)面對(duì)應(yīng)，臺(tái)體由立柱和橫梁焊接而成，內(nèi)部空間固定顯控設(shè)備，便于人員操作及觀察顯控面板。臺(tái)體裝有側(cè)板，可以增加美觀裝飾性?？刂婆_(tái)的臺(tái)體、臺(tái)面、顯控面板安裝凸臺(tái)等主體結(jié)構(gòu)一般采用鋼板、鋼管等材質(zhì)，側(cè)板、附件等采用鋁合金材質(zhì)?？刂婆_(tái)通過(guò)立柱、臺(tái)面和加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)形式，以及連接方式實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

圖1 控制臺(tái)效果圖

1.2 臺(tái)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臺(tái)體由立柱和橫梁組成，是控制臺(tái)的主要承力構(gòu)件，同時(shí)是影響控制臺(tái)剛度和強(qiáng)度的主要結(jié)構(gòu)，因此立柱和橫梁之間采用焊接方式連接，使其具有足夠的剛度和強(qiáng)度，從而保證控制臺(tái)整體的剛度和強(qiáng)度滿足車載使用環(huán)境要求。

臺(tái)體立柱通常采用矩形鋼管、鋁合金型材或鋼板多道折彎成形，通過(guò)立柱截面的形狀和尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以提高控制臺(tái)骨架的剛強(qiáng)度?？紤]加工工藝、減重設(shè)計(jì)以及外觀，立柱采用鋼板折彎成形。一般來(lái)說(shuō)，封閉截面比開口截面剛度大，相同截面積時(shí)，空心比實(shí)心剛度大[2]。如圖2所示，立柱由兩部分鈑金件焊接形成封閉式截面，外側(cè)采用圓弧形狀以增加美觀性和安全性，內(nèi)側(cè)開有圓孔可以減輕重量。同時(shí)，對(duì)裝有側(cè)板的立柱增加翻邊，既增加了立柱的剛強(qiáng)度又可作為側(cè)板的安裝面。

圖2 臺(tái)體立柱截面圖

立柱橫梁也采用鈑金件折彎成形，多為兩道折彎，既能滿足基本的剛強(qiáng)度要求又可保證重量最輕[3]。臺(tái)體底部和頂部焊接鋼板，作為與臺(tái)面和車體的連接件，同時(shí)增加了臺(tái)體的剛強(qiáng)度。

1.3 臺(tái)面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臺(tái)面一側(cè)邊豎直，臺(tái)面下固定顯控設(shè)備，便于人員操作及觀察顯控面板；另一側(cè)邊與前面成銳角，方便此側(cè)人員移至車體后部進(jìn)行操作或取放設(shè)備，此側(cè)同時(shí)安裝操控手柄，斜向角度便于人員操作。臺(tái)面采用鋼板折彎成形，四角圓弧設(shè)計(jì)，因此采用拼焊工藝成形方式。臺(tái)面下側(cè)焊有加強(qiáng)筋板以增加臺(tái)面剛強(qiáng)度，同時(shí)作為與臺(tái)體的安裝連接板。

1.4 顯控面板安裝凸臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

顯控面板安裝凸臺(tái)兩側(cè)主要用于安裝顯示操控面板，頂部安裝彈出式插座，兩側(cè)面傾斜角度根據(jù)顯示操控面板的尺寸確定，同時(shí)考慮便于兩側(cè)操作人員觀察操作。顯控面板安裝凸臺(tái)由多塊鋼板折彎件拼焊成形，凸臺(tái)四角棱邊和頂面棱邊均進(jìn)行圓弧設(shè)計(jì)以增加美觀性。

1.5 側(cè)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制臺(tái)后側(cè)和不固定顯控設(shè)備的側(cè)面裝有側(cè)板以增加裝飾性，前側(cè)被底盤傳動(dòng)系統(tǒng)罩遮住，因此沒有安裝側(cè)板。側(cè)板采用鋁合金折彎成形并焊接加強(qiáng)筋，同時(shí)開有長(zhǎng)條孔可以減重且便于控制臺(tái)內(nèi)設(shè)備通風(fēng)散熱。

2 控制臺(tái)有限元仿真分析

2.1 建模及劃分網(wǎng)格

根據(jù)車載控制臺(tái)的特征尺寸參數(shù)，建立控制臺(tái)的仿真分析模型。為減少仿真分析的計(jì)算量，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將構(gòu)建的仿真分析模型簡(jiǎn)化為臺(tái)體、臺(tái)面和顯控面板安裝凸臺(tái)3個(gè)部分，依據(jù)各自尺寸選用SHELL181殼單元?？刂婆_(tái)材料選用Q195鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。在臺(tái)面上將操控手柄、彈出式插座、顯示操控面板等分別簡(jiǎn)化為一個(gè)剛體，以質(zhì)點(diǎn)的形式施加在安裝位置上；在臺(tái)體上將側(cè)面板也分別簡(jiǎn)化為一個(gè)剛體，以質(zhì)點(diǎn)的形式施加在安裝位置上。如圖3所示，對(duì)仿真分析模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，可獲得110 535個(gè)節(jié)點(diǎn)和109 648個(gè)單元。

圖3 模型網(wǎng)格圖

2.2 模態(tài)分析

系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)可用于描述和分析設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，只要獲得系統(tǒng)的模態(tài)頻率和主振型，即可確定一般結(jié)構(gòu)的全部動(dòng)力學(xué)特性[4]。模態(tài)分析時(shí)隨機(jī)振動(dòng)分析是必需的前期分析過(guò)程[5]。對(duì)控制臺(tái)底部安裝孔施加固定約束進(jìn)行模態(tài)分析。已知輕型高機(jī)動(dòng)底盤車的振動(dòng)頻率范圍為5～500 Hz，通過(guò)仿真計(jì)算提取控制臺(tái)在5～500 Hz范圍內(nèi)的模態(tài)頻率，共獲得35階頻率，計(jì)算結(jié)果如表1所示。其中，控制臺(tái)的前6階固有頻率分別為23.5 Hz，26.4 Hz，36.4 Hz，60.4 Hz，110.8 Hz和144.7 Hz，控制臺(tái)前6階模態(tài)振型如圖4所示。由表1和圖4可見，控制臺(tái)的1階頻率為23.5 Hz，已經(jīng)避開輕型高機(jī)動(dòng)底盤車內(nèi)功率譜密度較大的低頻范圍（5～20 Hz）。其中，1階、2階、3階和4階模態(tài)主要表現(xiàn)為控制臺(tái)的側(cè)向振動(dòng)。5階和6階模態(tài)主要表現(xiàn)為控制臺(tái)的局部振動(dòng)。

表1 模態(tài)計(jì)算結(jié)果Hz

圖4 控制臺(tái)前6階模態(tài)振型圖

2.3 隨機(jī)振動(dòng)分析

車輛行進(jìn)時(shí)，車載控制臺(tái)受到地面顛簸等產(chǎn)生的振動(dòng)，因此采用文獻(xiàn)[6]中圖C.3所示組合輪式車振動(dòng)環(huán)境的加速度功率譜密度曲線作為隨機(jī)振動(dòng)的輸入激勵(lì)并施加到控制臺(tái)上，評(píng)估垂向、橫向和縱向的車輛振動(dòng)環(huán)境對(duì)控制臺(tái)結(jié)構(gòu)性能的影響?？刂婆_(tái)材質(zhì)為Q195鋼，拉伸強(qiáng)度σb=315～430 MPa，屈服強(qiáng)度σs= 195 MPa[7]，疲勞極限σ-1= 0.45σb= 142～194 MPa。

圖5為控制臺(tái)在垂向振動(dòng)環(huán)境條件下的3σ應(yīng)力云圖和3σ變形云圖。由圖5（a）可見，控制臺(tái)的最大應(yīng)力為93.6 MPa，小于材料的疲勞極限，控制臺(tái)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。由圖5（b）可見，控制臺(tái)的最大變形為3.96 mm，變形較小，控制臺(tái)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 垂向振動(dòng)的計(jì)算結(jié)果

圖6為控制臺(tái)在橫向振動(dòng)環(huán)境條件下的3σ應(yīng)力云圖和3σ變形云圖。由圖6（a）可見，控制臺(tái)的最大應(yīng)力為108.7 MPa，小于材料的疲勞極限，控制臺(tái)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。由圖6（b）可見，控制臺(tái)的最大變形為1.67 mm，變形較小，控制臺(tái)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 橫向振動(dòng)的計(jì)算結(jié)果

圖7為控制臺(tái)在縱向振動(dòng)環(huán)境條件下的3σ應(yīng)力云圖和3σ變形云圖。由圖7（a）可見，控制臺(tái)的最大應(yīng)力為79.4 MPa，小于材料的疲勞極限，控制臺(tái)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。由圖7（b）可見，控制臺(tái)的最大變形為0.83 mm，變形較小，控制臺(tái)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 縱向振動(dòng)的計(jì)算結(jié)果

對(duì)比圖5（a）、圖6（a）和圖7（a）3種工況的仿真計(jì)算結(jié)果可知，3種工況下應(yīng)力較大的位置基本相同，主要位于臺(tái)體底部固定孔處、顯控面板安裝凸臺(tái)與臺(tái)面的連接處、臺(tái)面與臺(tái)體的連接處。因此，在這些應(yīng)力較大的位置，加工過(guò)程中存在焊接的地方要保證焊接的牢固性，同時(shí)采用圓弧過(guò)渡、局部加強(qiáng)等形式提高這些位置的剛強(qiáng)度。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

車載控制臺(tái)設(shè)計(jì)完成后，為驗(yàn)證其可靠性，將整個(gè)控制臺(tái)安裝到輕型高機(jī)動(dòng)底盤車內(nèi)，同時(shí)將全部上裝設(shè)備加裝到控制臺(tái)上，對(duì)控制臺(tái)進(jìn)行行車振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行3次。試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)軍用車輛試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行，行駛里程共100 km，試驗(yàn)里程安排見表2。試驗(yàn)過(guò)程中檢查控制臺(tái)結(jié)構(gòu)、上裝設(shè)備連接部位等有無(wú)變形、松動(dòng)、脫落和移位情況并詳細(xì)記錄各種異常情況。試驗(yàn)完成后，檢查控制臺(tái)未發(fā)現(xiàn)異常情況，表明控制臺(tái)設(shè)計(jì)可靠。

表2 試驗(yàn)里程安排%

3 結(jié)束語(yǔ)

將控制臺(tái)安裝到輕型高機(jī)動(dòng)底盤車內(nèi)，按照使用要求隨整車系統(tǒng)進(jìn)行了嚴(yán)酷復(fù)雜的越野路面跑車、人機(jī)工程等各項(xiàng)測(cè)試試驗(yàn)并交付用戶使用。測(cè)試結(jié)果及實(shí)際應(yīng)用表明，控制臺(tái)完全滿足系統(tǒng)的使用條件和要求，實(shí)現(xiàn)了多種操控功能且操控舒適度高，控制臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可行。