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                  控制臺由上框架、中框架、下框架和操作臺四部分組成

                  發布時間:2017-04-25 18:18:45 閱讀次數:

                    操作控制臺(以下簡稱控制臺)作為操作人員的工作席位,其上安裝的大屏幕顯示器是主要的人機交互界面,傳感器系統發現的信息和處理指令均通過在大屏幕顯示器上由操作人員控制。為保證控制臺操作員視覺上的控制要求,控制臺與安裝結構剛性連接??刂婆_安裝的設備主要有加固顯示器、加固計算機、加固鍵盤、氧氣救生設備、通信設備和系統交聯的線纜等。 
                    1/1材料參數
                    控制臺的結構重量有嚴格的限制,鋁合金材料成為結構設計師的優選。目前,大多數的控制臺都選用鋁合金材料作為控制臺機架的主題材料,通過鈑金折彎焊接成形的結構設計方案實現。
                    1/2環境條件
                    控制臺振動試驗功率譜密度,沖擊值和加速值,與實裝相同固定方式和環境條件。
                    2、控制臺有限元分析
                    本文所做的有限元分析采用被國際工程領域承認的大型有限元分析軟件ANSYS10.0。該軟件廣泛用于機械制造、石油化工、造船、航空航天、汽車交通、電子、水利、鐵道等眾多領域。
                    2/1有限元模型的建立及網格劃分
                    控制臺的結構比較復雜,需要對模型進行簡化,這樣可以加快計算速度、提高精度。機架采用鋁型材折彎焊接而成的鈑金結構,為更好的模擬實際結構,采用4節點殼單元shell63,用殼單元來描述其力學特性最為合理,殼單元包括了結構單元中間面上的平面剛度、彎曲剛度及曲率效應,且殼單元有效高的計算精度,同時控制臺大部分平面的長寬與厚度的比值相差十倍以上。在考慮主機、鍵盤和顯示器對控制臺機架的影響時,按實際幾何形狀建模,采用8節點體單元solid45來代替實際設備質量。建立模型過程中先后生成點、線、面、體,在螺栓連接處采用耦合自由度的方法約束,在焊接部分要求有公共點和線。整個建模過程采用APDL參數化語言實現,將控制臺的尺寸參數化,包括施加的載荷,這樣可以方便的更改各種尺寸和載荷,提高計算時間和分析效率。用ANSYS軟件建立的有限元模型。
                    2/2模態分析
                    模態分析是用來確定結構振動特性的一種技術,也是掌握結構動態特征的最好方法。它包括固有頻率和振型,固有頻率和振型是結構設計中的重要參數。
                    2/2/1理論基礎
                    控制臺整個結構的振動方程為:
                    Mq + Cq + Kq = f
                   ?。?)式中,M為質量矩陣;C為阻尼矩陣;K為剛度矩陣;q分別為加速度、速度和位移矢量;f為載荷矢量。
                    模態分析,即求解結構的固有頻率和振型,假定控制臺是結構自由且無阻尼的系統,其振型方程為:
                    Mq + Kq = 0
                   ?。?)對簡諧振動,其中,節點位移q的節點振幅列陣(或稱模態振型);頻率與時間。
                   ?。?)按自由振動理論,n階自由度系統的自由振動方程式應有n個固有頻率,并且可以由頻率進行列式決定。、
                    由式(4)可求得系統的各階固有頻率,再把代入式(3)即可求出特征向量(模態振型)。
                    2/2/2有限元模態分析
                    對控制臺模型進行模態分析,得到前8階固有頻率。
                    前階振型,1階振型表現為整個控制臺前后方向上的彎曲振動;2階振型表現為整個控制臺左右方向上的彎曲振動;3階振型表現為整個控制臺上下方向上的扭轉振動;4階振型表現為整體結構前后擺動,下部電子設備擺動方向與整體擺動方向相反。其余4階都是二次彎曲振型,內部電子設備帶動機架有左右或上下的擺動。從頻率值大小及振動形態可判定控制臺具有較高的整體剛度,其剛度儲備足夠,分布合理。
                    2/3 控制臺9g加速度工況的強度分析
                    加速度是描述振動環境強度的基本量,9g向前加速載荷情況是結構安全的極限工況,控制臺是按照9g加速度慣性載荷設計的。如果此工況。設備的向前加速度方向。根據真實的約束條件,控制臺在底部六個安裝點的位置約束其平動自由度,為了避免應力集中,每個螺栓對應的位置取4個節點約束位移,再對整個控制臺的變形云圖。從圖中可以看出,由于底部的約束,整個控制臺的最大變形僅9.261mm,且發生在控制臺的頂部。為更好地反映控制臺的強度,給出控制臺單元平均應力云圖。從圖中可知控制臺與地面接觸的螺栓位置是整個控制臺應力比較集中的位置,其中最大等效應力值為103Mpa,這個值未達到鋁型材的屈服極限,因此強度滿足要求,且強度儲備具有一定的裕量。
                    2/4控制臺12g加速度工況的強度分析
                    12g向前加速度載荷情況是環境條件中最嚴酷的工況,經過計算得到整個控制臺的變形云圖。從圖中可知,整個控制臺的最大變形發生在頂部,數值是12.349mm??刂婆_單元平均應力云圖,從圖中可知控制臺內部最大等效應力值為137Mpa,雖已接近鋁型材的屈服極限,但遠未達到材料的強度極限,因此材料也是滿足要求的,最大等效應力值發生在與地板相連的螺栓位置附近,由于螺栓采用的材料是30CrMnSiA,它的強度遠遠大于鋁型材的強度,因此工況強度滿足要求。
                    2/5  9g12g加速分析結果比較
                    將9g12g加速度有限元分析結果進行對比,兩種工況分析條件相同(除施加的加速值不同),得出的結論中變形和應力的最大值發生位置相同。
                    通過對比得出控制臺在以9g加速度作為設計輸入時,產生的最大等效應力13Mpa,強度尚有一定的裕量,以12g加速度作為極限狀態進行分析時,產生的最大等效應力已接近材料的屈服極限。因此控制臺在滿足極限狀態加速度的工況下,結構安全性也是滿足要求的。
                  關鍵字:框架 操作臺 控制臺
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