軌道客車(chē)車(chē)體聯(lián)接螺栓強(qiáng)度的數(shù)值模擬

毛會(huì)生，謝素明，李成林

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.中國(guó)北車(chē)集團(tuán) 長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司 技術(shù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130062)*

0 引言

螺栓聯(lián)接因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造拆裝方便、成本低、具有多次重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛的應(yīng)用.在軌道客車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中底架懸掛設(shè)備主要是通過(guò)螺栓與底架邊梁與橫梁聯(lián)接;車(chē)體大部件之間的聯(lián)接，如:高速動(dòng)車(chē)組的枕梁與車(chē)體底架依靠螺栓聯(lián)接.此外，為維修與組裝便捷，模塊化設(shè)計(jì)的司機(jī)室也是利用螺栓將其與車(chē)體主結(jié)構(gòu)聯(lián)接.這些聯(lián)接螺栓的強(qiáng)度決定著客車(chē)車(chē)體運(yùn)用的安全可靠性.

近年來(lái)，高陽(yáng)等建立某城際動(dòng)車(chē)組的車(chē)下大噸位設(shè)備吊裝非線性有限元模型，通過(guò)查找各部件接觸對(duì)、建立接觸的局部坐標(biāo)系并提取各工況接觸面上的接觸壓力與接觸摩擦力，實(shí)現(xiàn)了各工況吊裝部件接觸面的抗滑性分析［1］;兆文忠等對(duì)城際動(dòng)車(chē)車(chē)下吊裝結(jié)構(gòu)聯(lián)接螺栓進(jìn)行接觸有限元分析，總結(jié)了若干影響接觸非線性分析的因素［2］;楊敏研究一種典型螺栓連接結(jié)構(gòu)的非線性靜力學(xué)行為，將螺栓連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果同試驗(yàn)、精細(xì)模型結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了使用連接單元對(duì)螺栓連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化有限元數(shù)值模擬的有效性［3］.

在EN12663-2010標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)載荷工況作用下，本文采用實(shí)體單元與接觸單元模擬聯(lián)接螺栓傳力，對(duì)動(dòng)車(chē)組的枕梁與邊梁聯(lián)接強(qiáng)度進(jìn)行了接觸非線性有限元分析與評(píng)價(jià);利用梁?jiǎn)卧c剛性單元結(jié)合模擬螺栓傳力，對(duì)某地鐵車(chē)司機(jī)室與車(chē)體聯(lián)接強(qiáng)度進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析及評(píng)價(jià).

1 螺栓聯(lián)接模擬及評(píng)估方法

利用有限元技術(shù)模擬聯(lián)接螺栓傳力的方法主要有兩種:①梁?jiǎn)卧c剛性單元結(jié)合模擬螺栓傳力，適用于聯(lián)接螺栓數(shù)目多、重點(diǎn)考察被聯(lián)接件強(qiáng)度的情況;②需考察工作狀態(tài)螺栓和被聯(lián)接件接觸部位的強(qiáng)度時(shí)，利用實(shí)體單元與接觸單元模擬螺栓聯(lián)接.

1.1 梁?jiǎn)卧蛣傂詥卧M聯(lián)接螺栓

梁?jiǎn)卧蛣傂詥卧Y(jié)合模擬螺栓及其聯(lián)接關(guān)系時(shí)，首先在被連接件的螺栓孔中心建立結(jié)點(diǎn);然后，在結(jié)點(diǎn)之間建立梁?jiǎn)卧?最后，建立中心結(jié)點(diǎn)與被聯(lián)接件的螺栓墊片面積大小內(nèi)的結(jié)點(diǎn)的剛性約束關(guān)系.梁?jiǎn)卧捎肂eam188，該單元是三維線性二節(jié)點(diǎn)單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度.剛性約束關(guān)系利用RIGID單元，即:約束六個(gè)自由度的CE單元.

依據(jù)有限元分析結(jié)果，提取聯(lián)接螺栓梁?jiǎn)卧膬?nèi)力，作為評(píng)估螺栓強(qiáng)度時(shí)的計(jì)算數(shù)據(jù).在ANSYS中提取梁?jiǎn)卧獌?nèi)力時(shí)，梁?jiǎn)卧芾瓡r(shí)輸出的軸向力為正;受壓時(shí)輸出的軸向力為負(fù).實(shí)際上，螺栓在工作時(shí)僅考慮其承受拉力的情況，故梁?jiǎn)卧軌簳r(shí)，認(rèn)為螺栓工作拉力FL為0.在ANSYS中提取的螺栓工作剪力FT應(yīng)是梁?jiǎn)卧獌蓚€(gè)方向的剪力矢量之和.

考慮螺栓和被連接件的彈性變形，螺栓所受的總拉力Q不等于預(yù)緊力Qp和工作拉力FL之和;而是與Qp、FL和螺栓剛度CL，被連接件的剛度CF有關(guān).當(dāng)應(yīng)變?cè)趶椥宰冃畏秶鷥?nèi)，各零件受力可根據(jù)靜力平衡和變形協(xié)調(diào)條件進(jìn)行分析.因此，螺栓的總拉力等于預(yù)緊力加上部分工作載荷，即:

其中，CL/(CL+CF)為螺栓的相對(duì)剛度.對(duì)于采用金屬墊片聯(lián)接的螺栓，其相對(duì)剛度值為0.3.對(duì)于一定公稱直徑d的螺栓，當(dāng)螺栓的擰緊力矩T已知時(shí)，可確定螺栓的預(yù)緊力，即:

Qp≈ T/(0.2d)

由于螺栓在裝配時(shí)必須將螺母擰緊，所以螺栓螺紋部分不僅受預(yù)緊力所產(chǎn)生的拉應(yīng)力的作用，同時(shí)還受螺紋副間的摩擦力矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用，因此計(jì)算時(shí)將工作應(yīng)力增大30%，以考慮扭轉(zhuǎn)力矩的影響，這時(shí)螺栓的最大拉伸應(yīng)力和最大切向應(yīng)力分別為: σca=1.3Q/A;τca=FT/A

其中，A為螺栓的危險(xiǎn)截面面積.螺栓靜強(qiáng)度的許用應(yīng)力: ［σ］=σs/n式中，安全系數(shù) n取值范圍為1.2 ～1.5.依據(jù)BS7608-2007標(biāo)準(zhǔn)，疲勞強(qiáng)度的許用應(yīng)力范圍:

［Δσ］=σb×nf

式中，安全系數(shù)nf的取值參見(jiàn)圖1.

圖1 軸向載荷作用下螺栓的Sr/UTS-N曲線(X級(jí))

1.2 實(shí)體單元與接觸單元模擬聯(lián)接螺栓

實(shí)體單元和接觸單元結(jié)合模擬螺栓及其聯(lián)接關(guān)系時(shí)，首先，將被聯(lián)接件和螺栓以及墊片離散為六面體單元;然后定義它們之間的接觸關(guān)系.

實(shí)體單元采用Solid185，該單元通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著x、y、z方向的平移自由度.ANSYS軟件定義一個(gè)接觸單元稱為一個(gè)接觸對(duì)，由目標(biāo)面Targe170和接觸面Conta173組成.另外，接觸對(duì)還需要定義方向剛度、穿透容差以及摩擦系數(shù)等參數(shù)［4］.

ANSYS軟件利用預(yù)拉力單元PRETS179對(duì)螺栓實(shí)體單元施加預(yù)緊力.具體地，先通過(guò)PSMESH或者EINTF命令在一個(gè)已經(jīng)劃分網(wǎng)格的螺栓中定義一個(gè)截面并插入預(yù)拉力單元PRETS179;然后通過(guò)SLOAD命令來(lái)施加PRETS179單元的預(yù)應(yīng)力.依據(jù)被聯(lián)接件的厚度，確定施加預(yù)緊力的截面位置［5］.

2 動(dòng)車(chē)組枕梁與邊梁聯(lián)接螺栓強(qiáng)度分析

動(dòng)車(chē)組枕梁是動(dòng)車(chē)組最重要的組成之一，我國(guó)不同客運(yùn)專線的運(yùn)營(yíng)環(huán)境差異大、運(yùn)營(yíng)里程長(zhǎng)，所以，動(dòng)車(chē)組車(chē)體底架邊梁和枕梁的聯(lián)接螺栓承受著十分惡劣的工作載荷.某自主研發(fā)的動(dòng)車(chē)組枕梁與邊梁聯(lián)接螺栓強(qiáng)度非線性分析的有限元模型主要由六面體與四節(jié)點(diǎn)薄殼單元組成，其中:枕梁、邊梁、墊板、螺栓及滑塊離散為六面體單元，車(chē)體地板及其它部件離散為四節(jié)點(diǎn)薄殼單元.有限元模型的單元總數(shù)為527557;節(jié)點(diǎn)總數(shù)為730382，其中:利用接觸關(guān)系定義枕梁、邊梁、螺栓以及螺栓滑塊之間的相互作用關(guān)系，共計(jì)定義36個(gè)接觸對(duì).有限元模型的坐標(biāo)系參見(jiàn)圖2，圖中x為車(chē)體縱向方向，y為車(chē)體垂向方向，z向?yàn)檐?chē)體橫向方向.

6）周邊腳手架應(yīng)從一個(gè)角部開(kāi)始并向兩邊延伸交圈搭設(shè)；并應(yīng)按定位依次豎起立桿，將立桿與縱、橫向掃地桿連接固定，然后裝設(shè)第l步的縱向和橫向鋼管，隨校正立桿垂直之后予以固定，并按此要求繼續(xù)向上搭設(shè)。腳手架各桿件相交伸出的端頭均大于10cm，以防止桿件滑脫。

圖2 枕梁與邊梁聯(lián)接螺栓強(qiáng)度分析模型

在遠(yuǎn)離枕梁的底架和側(cè)墻的兩端處施加縱向位移約束，側(cè)墻聯(lián)接處施加橫向和垂向位移約束，枕梁空氣彈簧處施加垂向位移約束.

依據(jù)EN 12663-2010標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)枕梁與邊梁聯(lián)接螺栓強(qiáng)度非線性分析的計(jì)算工況共計(jì)四種，見(jiàn)表1.主要評(píng)估部件是8.8級(jí)的M 30螺栓、M 24螺栓、底架邊梁、墊板和滑塊.M 30螺栓的預(yù)緊力為150 000 N;M 24螺栓的預(yù)緊力93 750 N;摩擦系數(shù)取為0.15.

表1 枕梁與邊梁聯(lián)接螺栓強(qiáng)度計(jì)算工況

經(jīng)接觸非線性有限元分析，各計(jì)算工況作用下，M30螺栓、M24螺栓、底架邊梁、墊板和滑塊等部件靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)表2.

表2 枕梁與邊梁螺栓聯(lián)接強(qiáng)度分析結(jié)果與評(píng)價(jià)

在計(jì)算工況2作用下，M30與M24螺栓的Von Mises應(yīng)力云圖如圖3所示.從圖3可以看出，M30螺栓與M24螺栓最大應(yīng)力均發(fā)生在螺栓頭部接觸位置，在載荷工況與預(yù)緊力作用下枕梁對(duì)螺栓頭部?jī)?nèi)側(cè)壓力大，外側(cè)壓力小，因此該處螺栓頭部與桿身的過(guò)渡部位應(yīng)力最大.

圖3 M30與M24螺栓應(yīng)力云圖

3 地鐵車(chē)司機(jī)室聯(lián)接螺栓強(qiáng)度分析

某城市地鐵車(chē)司機(jī)室組成重1850 kg，它通過(guò)15個(gè)M8螺栓、23個(gè)M16螺栓與車(chē)體連接.地鐵車(chē)司機(jī)室聯(lián)接強(qiáng)度分析模型中，采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬38個(gè)螺栓，為了便于施加邊界條件，創(chuàng)建了整車(chē)的有限元模型.整車(chē)有限元模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1293035;單元總數(shù)為1279677，如圖4所示.

圖4 某地鐵車(chē)司機(jī)室組成及聯(lián)接強(qiáng)度分析模型

螺栓M8和M16的預(yù)緊力矩T分別為22和274 N·m.性能等級(jí)為8.8時(shí)，M8和M16的螺栓許用應(yīng)力在427～533 MPa之間，許用應(yīng)力范圍為48 MPa;性能等級(jí)為10.9時(shí)，許用應(yīng)力在600～750 MPa之間，許用應(yīng)力范圍為60 MPa.

依據(jù)EN 12663-2010標(biāo)準(zhǔn)，司機(jī)室聯(lián)接螺栓靜強(qiáng)度分析的計(jì)算載荷共計(jì)六種，見(jiàn)表3.疲勞強(qiáng)度分析的計(jì)算載荷共計(jì)三種:①垂向加速度為0.3 g;②橫向加速度為0.3 g;③縱向加速度為0.3 g;循環(huán)次數(shù)為 107.

表3 司機(jī)室螺栓聯(lián)接計(jì)算工況

司機(jī)室聯(lián)接螺栓靜強(qiáng)度分析結(jié)果:等級(jí)為8.8級(jí)的M8的螺栓工作應(yīng)力小于螺栓的許用應(yīng)力;等級(jí)為8.8級(jí)的M16的螺栓工作應(yīng)力超出了螺栓的許用應(yīng)力，但10.9級(jí)M16滿足設(shè)計(jì)要求.表4給出了計(jì)算工況6下，部分螺栓的分析結(jié)果.各疲勞強(qiáng)度計(jì)算工況作用下，兩種等級(jí)的螺栓均滿足設(shè)計(jì)要求，表5給出了計(jì)算工況1下部分螺栓的分析結(jié)果.

表4 司機(jī)室部分螺栓靜強(qiáng)度分析結(jié)果

表5 司機(jī)室部分螺栓疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果

4 結(jié)論

利用梁?jiǎn)卧M螺栓連接過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)的構(gòu)件內(nèi)力的傳遞，適用于結(jié)構(gòu)模型較大，螺栓數(shù)量多的強(qiáng)度計(jì)算，但是要考察螺栓的局部應(yīng)力變化和螺栓工作狀態(tài)中的實(shí)際應(yīng)力分布趨勢(shì)，需要對(duì)螺栓進(jìn)行實(shí)體建模，進(jìn)行接觸非線性分析，但其建模與計(jì)算時(shí)間周期長(zhǎng).

在工作載荷與預(yù)緊力作用下，某動(dòng)車(chē)組枕梁與邊梁螺栓聯(lián)接中M30螺栓與M24螺栓最大應(yīng)力均發(fā)生在螺栓頭部接觸位置.枕梁對(duì)螺栓頭部?jī)?nèi)側(cè)壓力大，外側(cè)壓力小，因此螺栓頭部與桿身的過(guò)渡部位應(yīng)力最大.底架邊梁、墊板和滑塊等部件靜強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求.

在靜強(qiáng)度計(jì)算載荷作用下，某地鐵車(chē)司機(jī)室的等級(jí)為8.8級(jí)的M16聯(lián)接螺栓的工作應(yīng)力超出了其許用應(yīng)力，建議采用10.9級(jí)的M16螺栓.在疲勞載荷作用下，司機(jī)室聯(lián)接螺栓滿足設(shè)計(jì)要求.

［1］高陽(yáng)，謝素明，王劍.城際動(dòng)車(chē)組車(chē)下大噸位設(shè)備吊裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的精細(xì)分析［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34(5):12-15.

［2］兆文忠，蔡培培，王劍.接觸非線性分析及對(duì)車(chē)下吊裝聯(lián)接結(jié)構(gòu)螺栓可靠性的校驗(yàn)［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33(3):7-9.

［3］楊敏.螺栓連接結(jié)構(gòu)的一種簡(jiǎn)化數(shù)值模擬方法［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(7):165-167.

［4］王勖成.有限單元法［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［5］張永杰，孫秦.帶預(yù)緊力受剪螺栓連接剛度分析［J］.強(qiáng)度與環(huán)境，2007，34(4):22-25.