一種車載顯控終端的振動(dòng)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證

摘要：在軍用車輛中，車載顯控終端的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。為了確保在復(fù)雜多變的野外環(huán)境中能夠高效、穩(wěn)定地運(yùn)行，對(duì)其進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性分析尤為必要。針對(duì)車載顯控終端的使用特點(diǎn)，首先建立三維模型，而后對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析，進(jìn)而分析了三個(gè)軸向的隨機(jī)振動(dòng)，并進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。仿真結(jié)果和試驗(yàn)驗(yàn)證表明，車載顯控終端結(jié)構(gòu)合理、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，滿足車載振動(dòng)環(huán)境的使用需求。

關(guān)鍵詞：車載顯控終端；模態(tài)分析；隨機(jī)振動(dòng)分析；試驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：TH123；U467.1 收稿日期：2024-08-31

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.10.019

1 前言

為了適應(yīng)作戰(zhàn)部隊(duì)的“全域機(jī)動(dòng)、立體攻防、多維多能”迫切需求，軍用車輛不僅要具有克服凸嶺、凹坑、壕溝、陡坡等地形的通過能力和通過淤泥、冰雪、沙漠、碎石等松軟、濕滑路面的地面通過能力，而且需要兼顧公路行駛和越野行駛要求[1]。執(zhí)行任務(wù)的軍用車輛面對(duì)任務(wù)區(qū)域的復(fù)雜性，需要具有輕巧靈活、通過性好、機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[2]，因此，車載顯控終端必須適應(yīng)復(fù)雜的車載振動(dòng)環(huán)境，才能滿足使用需求。

2 車載顯控終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車載顯控終端如圖1所示，主要顯示前端光電設(shè)備采集的可見光視頻和紅外視頻以及目標(biāo)信息，并且對(duì)其進(jìn)行記錄存貯，方便后期查證。結(jié)合使用環(huán)境及內(nèi)部各功能模塊的工作特點(diǎn)，車載顯控終端采用全密閉導(dǎo)冷+強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，設(shè)備主體采用鋁合金材料一體化銑削成形，結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固，剛度強(qiáng)度均符合要求，且防水、防砂塵性能較好；殼體間設(shè)置凹槽填充導(dǎo)電橡膠條，內(nèi)部密封性良好，同時(shí)使整機(jī)形成電連續(xù)性良好的封閉電磁屏蔽腔，起到電磁屏蔽的作用。

車載顯控終端主要由前殼體組件和后殼體組件拼合組成，其中前殼體組件包括液晶顯示模組、屏邊鍵模塊、按鈕開關(guān)組件及揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)，后殼體組件包括計(jì)算機(jī)主板組件、電子盤、電源濾波器、電源模塊、接口板、風(fēng)扇及對(duì)外電連接器接口，各模塊區(qū)域劃分合理，內(nèi)部走線規(guī)整；前殼體與后殼體連接處設(shè)有溝槽，槽內(nèi)布置導(dǎo)電膠條，確保腔體內(nèi)部形成屏蔽性良好的電磁密閉腔體，為終端各模塊提供良好的工作環(huán)境和電磁環(huán)境。車載顯控終端的殼體不僅為電子信息模塊提供物理支撐，也為電子信息模塊防護(hù)起到不可或缺的作用。

基于人機(jī)工程學(xué)[3-6]的考慮，最佳視野界限為0°～下30°，因此，車載顯示器與水平面夾角為75°左右時(shí)用戶的體驗(yàn)感最佳，因此，車載顯控終端的安裝面與水平面夾角為75°，如圖2所示。

3 車載顯控終端有限元仿真分析

3.1 模型的建立

通常情況下，采用Workbench軟件自帶的DM模塊直接建模存在過程復(fù)雜且不易修改等不足，所以本文采用Solidwork三維軟件對(duì)車載顯控終端進(jìn)行建模，并通過另存為xt文件導(dǎo)入有限元軟件，保證模型準(zhǔn)確性和分析實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析前處理中至關(guān)重要的一步，其中網(wǎng)格劃分的形式與質(zhì)量均對(duì)有限元分析結(jié)果產(chǎn)生直接影響，但是對(duì)模態(tài)分析結(jié)果不影響。為了提高車載顯控終端的計(jì)算效率，根據(jù)有限元分析劃分網(wǎng)格的基本規(guī)則，對(duì)模型進(jìn)行一定的優(yōu)化與處理后再導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。經(jīng)過對(duì)模型的優(yōu)化與處理，最后得到質(zhì)量高的網(wǎng)格劃分模型，其單元數(shù)為172 030，節(jié)點(diǎn)數(shù)為342 216。

3.3 材料屬性定義

根據(jù)車載顯控終端的工作環(huán)境以及性能要求，設(shè)置前殼體和后殼體材料為6061鋁合金，散熱塊為純銅T3，主板和驅(qū)動(dòng)板為FR-4，屏組件為玻璃等，其主要性能參數(shù)如表1所示。

3.4 模態(tài)分析

無外載荷作用下，機(jī)械結(jié)構(gòu)在初始擾動(dòng)作用下的振動(dòng)為自由振動(dòng)。無阻尼系統(tǒng)的自由振動(dòng)頻率為機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率，相應(yīng)的振型成為結(jié)構(gòu)的固有振型。物體按照某階固有頻率振動(dòng)時(shí)，物體上各點(diǎn)以一定比例的偏移，可用向量進(jìn)行表示，稱之為模態(tài)。模態(tài)分析則是確定物體的振動(dòng)特性，即固有頻率和模態(tài)振型。一般采用理論計(jì)算、試驗(yàn)激勵(lì)和仿真分析獲得。本文采用仿真分析的方式獲得車載顯控終端的固有頻率和模態(tài)振型。

車載顯控終端通過后殼體安裝到顯控臺(tái)上，后殼體通過6個(gè)M5螺釘與顯控臺(tái)固連。在進(jìn)行邊界條件設(shè)定時(shí)，根據(jù)上述連接情況，進(jìn)行設(shè)備與顯控臺(tái)的接觸設(shè)定，將后殼體螺釘孔設(shè)定為固定約束，同時(shí)，施加重力約束，進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算，1階和2階振型如圖3所示，3階和4階振型如圖4所示，5階和6階振型如圖5所示。

3.5 隨機(jī)振動(dòng)分析

在車載振動(dòng)環(huán)境中，載荷是不確定的，而隨機(jī)振動(dòng)分析是用概率統(tǒng)計(jì)的方法研究非確定性載荷激勵(lì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)情況，確定結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性[7-8]。車輛在凹凸不平的路面上行駛時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)為隨機(jī)振動(dòng)，為模擬振動(dòng)工況，根據(jù)GJB150.16A—2009[9]的要求，組合輪式車的振動(dòng)圖譜為C.3，具體頻點(diǎn)和振動(dòng)加速度如表3所示，其中，g2/Hz是指功率譜密度單位。

隨機(jī)分析結(jié)果服從高斯分布，采用3σ法進(jìn)行應(yīng)力和變形的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，即落入[-3σ，3σ]的概率為99.73%，垂向隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力和變形如圖6所示，橫向隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力和變形如圖7所示，縱向隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力和變形如圖8所示。可以看出，縱向應(yīng)力和變形最大，即所設(shè)計(jì)車載顯控終端結(jié)構(gòu)模型最大應(yīng)力值93.888 MPa，應(yīng)力小于93.888 MPa的概率為99.73%，即所設(shè)計(jì)車載顯控終端結(jié)構(gòu)模型最大變形值0.31269 mm，小于0.31269 mm的概率為99.73%，其余0.27%的變形和應(yīng)力可以假定不對(duì)設(shè)備造成任何損傷。結(jié)合材料的屈服極限，安全系數(shù)為3.6，分析表明，車載顯控終端滿足組合輪式車輛的振動(dòng)使用環(huán)境。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為保證車載顯控終端裝車后工作可靠性，樣機(jī)聯(lián)調(diào)完成后，由于某型邊防車需要在行進(jìn)中工作，因此，進(jìn)行了帶電工作狀態(tài)的振動(dòng)試驗(yàn)。振動(dòng)試驗(yàn)采用GJB150.16A—2009[9]組合輪式車輛振動(dòng)環(huán)境圖C.3的規(guī)定，3個(gè)軸向每個(gè)軸向持續(xù)時(shí)間1 h，試驗(yàn)狀態(tài)如圖9所示，垂向和縱向的振動(dòng)試驗(yàn)曲線如圖10所示，垂向的振動(dòng)試驗(yàn)曲線如圖11所示。

試驗(yàn)過程中檢查車載顯控終端，未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)、脫落現(xiàn)象，以及閃屏等異常情況，表明車載顯控終端設(shè)計(jì)合理、裝配可靠，能夠滿足復(fù)雜振動(dòng)沖擊環(huán)境的使用工況。

5 結(jié)語

本文以車載顯控終端為研究對(duì)象，首先進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析，并對(duì)實(shí)際樣機(jī)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。分析和測(cè)試結(jié)果表明，車載顯控終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，滿足GJB150.16A—2009中C.3的使用環(huán)境，為用戶提供舒適的人機(jī)交互體驗(yàn)。

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作者簡(jiǎn)介：

王文運(yùn)，男，1987年生，工程師，研究方向?yàn)榧庸淘O(shè)備、光電裝備的設(shè)計(jì)開發(fā)。