试述支架支撑加强结构的设计

张冬

摘要：通过UG三维仿真计算找出支撑加强结构的薄弱点，再通过适当的加强，从而优化设计的新方法。

关键词：支架支撑加强结构设计；UG三维力学仿真计算法

所谓支架加强结构，就是用斜支撑，侧支撑等进行加强的支架结构，这在地面设备设计中广泛应用，如舱段支撑车，支撑架、托架等，不仅是支撑，有的还要经得起长距离的产品运输，如防过载、颠簸、抗震动等。以前的设计多是参照老的产品，或是稍加改动，或依据基础的通用的理论公式去设计，去加强，结果总体强度越来越富裕，结构越来越大，久而久之，当初的设计理念就遗失了，没有理论支撑了，经验也越来越淡薄了。

现在，我试用UG三维力学仿真计算法，进行建模并结合实际做了运算，发现可以轻易找到支撑加强结构的薄弱点，对其进行相应加强，并可获得到意想不到的效果。

例如，2016年7月初，我接到的关于设计某无人机巡展机架的任务。任务要求：（1）机架要能承受500kg重量。（2）机架要经得起公路运输的各种条件。（3）要有一定的仰角，但只给了一个机架参考图和无人机协调图，能否设计出强度、刚度足够，结构又紧凑的机架，成了完成好此次任务的关键。

设计之初，虽仅有一个其它机型的参考支座，如图1所示。但此机架仅能承300kg机体，仰角5°，前支撑高1024mm，而现在要求机架承力500kg，仰角8.5°，前支撑高1224mm，还要完成运输的要求，这就需要机架结构要加高，倾角更大，而且无论强度，刚度都要求更高 如何进行设计呢？有的人说加粗矩管，有的人说改变支撑方式并加包带，既没有理论依据，

又没有相应计算公式支撑，还没有现成的经验来借鉴，似乎无从下手。这时我想到了用三维仿真力学计算理论来设计这个机架，看看能否设计出更合理的结构。

首先，由参考图分析，此为一个支撑结构，其支撑的下半部为斜筋加强，是典型的支撑加强结构。要想用基础的或通用的计算方法很难找到薄弱点，确定最大应力值更是无从下手，凭经验则要放大机构，会增加很多重量，不方便运输和使用。这时，三维力学仿真计算就派上用场了。

据此想法，我绘制了机架的UG三维模型，如附图1 （附图均见本文后），然后对前后支架逐一分析。由于篇幅限制，仅对前支架进行分析，为了分析方便，我将其上面支叉部分简化为单管，并为其绘制了三维仿真图（如附图2）。按支架受向前的力300kg算（2倍过载，前支撑按力学分析分配150kg计），支架的应力分布如附图2所示：中间支撑和支架立柱的上接触面有应力集中（黄色线条区域），最大应力为265.28Mpa，安全系数1.77，小于设计所需的3.5倍的安全系数，其他地方以蓝色为主，说明强度富裕，黄色上部有小片绿色区域，应力不大于130Mpa，安全系数为3.62，强度足够。只要加强黄色区域，就可避免应力集中，使安全系数满足要求。实际上加筋板是最好的解决方法，加筋板后的前支撑结构图如图2。

前支撑加筋板后的主支撑和斜支撑的应力分布图如附图3，焊缝处的应力明显减小（应力分布示意图的

力分布为绿色），应力集中由主焊缝

转移到上筋板上的一点，结构强度显著提高，安全系数达3.62。（受向前力作用）

其次，受侧向力150kg（1倍过载）的情况下，加筋板后的最

大应力分布图如附图4，最大应力集中也转移到了下筋板上的一点，周围应力为黄色区域，对应应力值不大于85Mpa。安全系数为2.76。

后支撑加筋板后的结构如图3所示，加筋板后的应力分布如附图5（各受向后175kg力）、附圖6（各受侧向175kg力）所示，最大应力集中均位于筋板上的一点，主支撑焊缝受力明显改善，如附图5筋板上的最大应力分布为绿色区域，应力在上的最大应力为黄色区域，应力65Mpa左右，安全系数3.6，如附图6筋板不大于60Mpa，安全系数3.92。

由上可见，加筋板后的机架受轴向力（前后方向）的安全系数为3.62、3.6，大于国军标（GJB540.3）规定的重型卡车的轴向过载3.5，受侧向力的安全系数前后支撑分别为2.76、3.92，均大于国军标规定的侧向载弹过载2.5。不仅整体强度、刚度满足设计要求，而整体重量却与参考机架的重量相当（因所有支撑杆的强度均过剩，故仍然采用60mm见方的钢管）。加筋板后机架的轴测图（見图4）。

此产品参加了10月底举行的土库曼斯坦国庆阅兵仪式（如附图7），安装在重型卡车上的机架载无人机运行2小时后，机架结构保持完好，经受住了考验，满足了使用要求。

综上所述，复杂结构的理论计算现已难找到实用之处了，经验也越来越淡薄了，这时，UG三维仿真力学理论就成为了解决难题的有效途径，本文对该机架前后支撑的强度分析就显现了今后结构设计的这个方向，掌握这项理论就掌握了现代设计的一个基础方向。