基于客车LCD综合显示屏安装结构故障有限元分析改善

冯文良 李立亭 陈祥仕 马强 林敏

冯文良

毕业于重庆大学，本科学历，现就职于中车时代电动汽车股份有限公司设计师，主要研究方向客车产品研发与设计，已授权实用新型专利2项，2项企业标准的编制。

摘  要：本文针对客车LCD综合显示屏安装结构进行了失效分析与改进。首先运用统计方法对结构失效问题进行了分析，再利用有限元分析软件进行模态、静强度、频响分析找出失效原因，然后对LCD综合显示屏安装结构进行了优化改进，最后通过对比分析得出，改进结构在一阶固有频率提高了70.4%、静强度最大应力降低了57.2%、在激励扫频下峰值应力降低72%，振动破坏风险显著降低，在使用过程中未发现失效现象，验证了改进效果显著。

关键词：LCD综合显示屏安装结构;有限元分析;失效分析

中图分类号：U463.82+2    文献标识码：A      文章编号：1005-2550（2022）03-0072-05

Finite Element Analysis and Improvement Based on Installation Structure Fault of Bus LCD Integrated Display Panel

FENG Wen-liang， Li Li-ting， CHEN Xiang-shi， MA Qiang， LIN Min

（ CRRC Times Electric Vehicle Co.， Ltd ， ZhuZhou 412007， China）

Abstract： In this paper， the failure analysis and improvement of the installation structure of bus LCD integrated display panel were carried out. Firstly， the structural failure was analyzed by statistical method， and then the modal， static strength and frequency response were analyzed by finite element analysis software to find out the cause of failure. Then， the installation structure of LCD integrated display panel was optimized and improved. Finally， through comparative analysis， The first order natural frequency of the improved structure is increased by 70.4%， the maximum static strength stress is reduced by 57.2%， the peak stress is reduced by 72% under the excitation frequency sweep， and the risk of vibration failure is significantly reduced. No failure phenomenon is found in the process of use， which verifies the significant improvement effect.

Key Words： LCD Integrated Display Panel Installation Structure; Finite Element Analysis; Failure Analysis

現代社会电子通信技术飞速发展，为了保证客车在运行的过程中信息的快速传输，车内一般会配备电子路牌[1-3]或LCD综合显示屏。随着人们关注的信息量越来越大，观赏体验需求越来越高，现在的客车安装LCD综合显示屏在宽度和长度方向都进行了加宽加大处理，LCD综合显示屏的重量也随之增加。因此，仅将LCD综合显示屏固定在客车风道的门板背面难以达到支承强度要求。

为了避免风道过度承重，原设计采用了一种直接与客车骨架连接的LCD综合显示屏安装结构[4]。但是，2021年7月收到西北区域售后服务中心反馈信息，某车型车内电子路牌支架出现断裂现象，电子路牌下方是乘客座椅，车辆运行过程中电子路牌掉落存在安全隐患，影响车辆正常运营。因此，作为技术人员分析安装结构失效原因并作出结构改进是责无旁贷的。而有限元软件对结构失效分析是在车辆技术领域内热点研究方向[5-11]。

本文运用有限元分析软件对现有LCD综合显示屏安装结构断裂问题分别进行模态、静强度和频响分析，并对改进方案作出了对比分析，为同类设计提供了相应的参考。

1    问题阐述

1.1   问题描述

根据售后人员反馈车内电子综合显示屏即LCD综合显示屏发生掉落，如图1所示：

经查故障车型失效里程为67000KM，拆除车内风道等车内装饰件后，发现车内LCD综合显示屏安装支架与车体骨架焊接区域发生断裂，其中断口形貌如图2、图3所示：

1.2   失效模式统计

经过对同批次进行排查，对LCD综合显示屏安装故障率进行了统计，车内LCD综合显示屏安装支架自然断裂导致显示屏掉落车辆占比2%，支架有开裂痕迹车辆占比为73.5%，暂未出现断裂车辆占比24.5%。其失效模式统柏拉图，如图4所示：

从LCD综合显示屏安装结构失效模式柏拉图可以看出，断裂、开裂故障累积率为75%，因此确定为改进的目标。

2    原因分析

2.1   原LCD综合显示屏安装结构初步分析

原客车的LCD综合显示屏安装结构如图5所示，安装结构包括安装框架、连接立柱支架和顶盖相应搭接骨架。连接立柱支架一端连接在具有风道的客车顶盖骨架上，另一端连接有安装LCD综合显示屏的安装框架，连接立柱支架和安装框架均位于客车的风道内，如图6所示：

图6所示，LCD综合显示屏安装框架、连接立柱、车体顶盖骨架形成一个悬臂梁系统。对此，可以从以下三个方面进行考虑：（1）电子路牌比较重，路面状况复杂时，车辆运行过程中存在长期反复振动，导致支架断裂。（2）使用型材问题：搭接骨架材料比较薄，此处顶盖搭接梁壁厚为1.5mm型钢，支撑电子路牌强度不够，运行过程中存在开裂风险。（3）支架结构问题：LCD综合显示屏搭接骨架焊点较少。

2.2   原LCD综合显示屏安装结构有限元分析

运用有限分析软件，在顶盖下方立柱支架焊接区固定，分别进行模态、静强度和频响分析。

LCD综合显示屏重13kg，以集中质量施加在屏的几何中心处。由于该屏跨过顶盖两段档距，且位于中门前后立柱正上方。截取前后立柱间的顶盖结构，对LED安装结构做相应分析，材料均为Q235B。Q235B材料参数见表1所示[12]。

2.2.1 模态分析

LCD综合显示屏安装结构前两阶振型如图7、图8所示，一阶频率15.9Hz，二阶频率28.8Hz（原方案第二阶振型显示为计算模型的第三阶）。一阶振型为LED支架的局部侧向振动，二阶振型为垂向振动。

2.2.2 静强度分析

LED屏质心处分别施加一倍重力载荷，应力分布如图9所示。1G载荷下，支架根部焊接区最大应力只有22MPa，静强度不存在风险。

2.2.3 频响分析

根据模态结果，激励频率取0-50Hz，模型截断频率取150Hz，在LED屏质心位置施加幅值130N的扫频激励如图10所示：

支架焊接区最大应力随频率变化如图11所示。扫频激励下，支架根部应力在16Hz出现峰值共振，130N激励下峰值应力277MPa，超出材料屈服强度。

从静强度知，原结构在垂向1G工况下，支架根部应力较低，不存在静强度破坏问题。

3     LCD综合显示屏安装结构改进优化

3.1   改进目标

（1）改善LCD综合显示屏安装结构整体受力情况，改进立柱与顶骨架焊接区应力状况，使LCD综合显示屏安装结构在顶骨架连接区域受力均匀，防止骨架再次出现开裂。

（2）结构要尽量简单，要便于车间工艺、生产进行改进。

3.2   改进方案

原结构静强度安全，但存在振动破坏风险。对局部安装支架更改结构和厚度。改进方案如下：

（1）顶盖骨架梁规格由30×40×1.5改为40×40×3.0。

（2）顶盖增加一根短纵梁，形成直角搭接，分散顶盖受力。

（3）增加焊缝长度，分散顶盖梁的受力。

（4）在顶盖骨架下方与立柱连接处增加直角安装支架。

3.3   改进结构有限元分析

改进结构前两阶模态频率如图12、图13所示（第一阶振型显示为计算模型第二阶，第二阶振型显示为计算模型的第五阶）。一阶固有频率为27.1Hz，二阶固有频率为38.8Hz。新结构一阶振型为整体垂向振动。

新结构在幅值为130N扫频激励作用下，峰值应力变化与原结构对比如图14、15、16所示：

130N扫频激励作用下新结构最大峰值应力在27Hz处出现，最大值77MPa。相较原结构，同样幅值扫频激励下最大应力有近72%的降幅。相同激励下支架振动破坏风险显著降低。新结构1G静载下的峰值应力约为9.4MPa，也不存在静强度破坏。

4    结论

通过分析可得出以下结论：

（1）原安装1G静载作用下，焊接区最大应力只有22MPa，不存在静强度破坏风险;LED屏自重激励扫频下焊接区在16Hz出现超出材料屈服强度的高应力，原结构存在振动破坏风险。从原结构振型知，一阶振型为LED屏支架的局部侧向振动，此振型尤其不利于其根部焊缝，当共振发生时，LED支架根部焊缝会在侧向发生拉压变形。

（2）改进后将一阶固有频率由原来的15.9Hz提至27.1Hz，且一階振型表现为整体的垂向振动，优于原结构。新结构1G静载作用下，焊接区最大应力仅为9.4MPa，也不存在静强度破坏风险。LCD综合显示屏自重激励扫频下焊接区在27Hz出现峰值应力，最大值为77MPa。通过对比分析，改进结构在一阶固有频率提高了70.4%、静强度最大应力降低了57.2%、在激励扫频下峰值应力降低72%，振动破坏风险显著降低，相同动载荷作用下新结构优于原结构。

改进后，LCD综合显示屏安装结构在4个月后的售后无问题反馈，没有发现电子路牌安装结构连接区域断裂和开裂现象。从另一个角度说明，此计算分析方法和分析过程是正确的，结果是准确的，改进的结构方案是得当的，在同类的设计过程中具有一定的指导和参考意义。

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