靜強度試驗臺側(cè)梁聯(lián)接的接觸應(yīng)力分析

王同臣，陳蘭芳

(臨沂市科學(xué)技術(shù)合作與應(yīng)用研究院,山東 臨沂 276000)

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靜強度試驗臺側(cè)梁聯(lián)接的接觸應(yīng)力分析

王同臣，陳蘭芳

(臨沂市科學(xué)技術(shù)合作與應(yīng)用研究院,山東 臨沂 276000)

摘要：為檢驗鐵路貨車車體設(shè)計的合理性,并為車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供可靠依據(jù),應(yīng)對車體結(jié)構(gòu)進行靜強度計算和模態(tài)分析。建立靜強度試驗臺并對側(cè)梁聯(lián)接進行了實體幾何建模，通過對彈性力學(xué)理論計算、有限元方法計算和靜載試驗等3種聯(lián)接表面接觸應(yīng)力的研究方法進行比對，最終選擇采用三維空間有限元方法對銷孔的接觸應(yīng)力進行了計算，得到了銷孔上接觸應(yīng)力沿環(huán)向及軸向的分布特點，最后給出了對接頭進行表面淬火處理以達到提高表面接觸強度的建議。

關(guān)鍵詞：銷接；接觸應(yīng)力；強度；有限元

鐵路貨車靜強度試驗臺是為實現(xiàn)鐵路貨車靜強度型式試驗而設(shè)計的基礎(chǔ)試驗設(shè)備，其主要采用封閉的框架結(jié)構(gòu)(見圖1)。試驗臺框架部分主要由液壓缸加載梁裝配、活動加載梁裝配、滑動加載梁裝配、側(cè)梁裝配和車鉤連接桿等組成。側(cè)梁裝配由幾段不同長度的側(cè)梁通過銷接結(jié)構(gòu)聯(lián)接而成，銷接結(jié)構(gòu)由陰接頭、陽接頭和銷子三部分組成(見圖2)。

圖1　靜強度試驗臺框架結(jié)構(gòu)

圖2　側(cè)梁聯(lián)接的銷接結(jié)構(gòu)組成

在進行試驗時，被測試車體位于封閉框架中央，兩端分別與拉壓連接桿連接，加載液壓缸推或拉動滑動加載梁，通過拉壓連接桿將加載力傳遞到車體，此時側(cè)梁受到與作用載荷反向的力。在縱向壓縮時，高達2 500 kN的縱向載荷通過銷子傳遞給接頭，在銷子和接頭圓孔接觸處會產(chǎn)生比較大的接觸應(yīng)力，當(dāng)接觸應(yīng)力足夠大時，就會在接觸點產(chǎn)生粘著或焊合，并在相對切向運動中被剪斷或撕裂，致使材料轉(zhuǎn)移或逐漸剝落，造成粘著磨損，直接危及側(cè)梁聯(lián)接的安全；因而，需要對該區(qū)域進行接觸應(yīng)力分析。

1銷軸聯(lián)接接觸應(yīng)力的研究方法

由于銷軸聯(lián)接具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便和更換容易等優(yōu)點，在機械、建筑和水工等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1]。對于銷軸聯(lián)接表面接觸應(yīng)力的研究方法主要有彈性力學(xué)理論計算、有限元方法計算和靜載試驗等3種方法[2]。

彈性力學(xué)理論研究方法主要是應(yīng)用Hertz接觸理論，但該理論是在許多假設(shè)的前提下推導(dǎo)出的近似解，具有一定的局限性。銷軸聯(lián)接接觸應(yīng)力的有限元計算均采用二維模型， 沒有考慮沿軸向的應(yīng)力 變化，而實際上由于銷子的彎曲會引起接觸區(qū)域在軸向應(yīng)力分布是不相同的，甚至只集中在一個很小的區(qū)域，從而在局部產(chǎn)生很高的表面接觸應(yīng)力，采用二維模型往往會得到不保守的結(jié)果[3]；因而，需要采用三維有限元模型來分析靜強度試驗臺側(cè)梁的銷軸聯(lián)接結(jié)構(gòu)。

2有限元計算模型的建立

2.1有限元模型的建立

有限元模型如圖3所示，在銷軸聯(lián)接外兩端各取1 m長的結(jié)構(gòu)建立模型，以消除邊界條件對分析結(jié)果的影響，結(jié)構(gòu)沿Y、Z軸是對稱，因此取1/4結(jié)構(gòu)建立模型，接頭及銷子均采用實體單元Solid 186進行模擬，接觸對采用CONTA174單元和TARGE170單元進行模擬。

圖3　S側(cè)梁銷軸聯(lián)接有限元模型

2.2接觸參數(shù)的選擇

有限元模型中接觸區(qū)域的網(wǎng)格密度、接觸界面類型和接觸剛度等物理性質(zhì)參數(shù)的設(shè)定對分析結(jié)果有較大的影響[4]。

接觸區(qū)域的網(wǎng)格應(yīng)小于接觸半寬的50%，試算后接觸區(qū)域的單元長度取5 mm。

對于法向接觸剛度的選擇，經(jīng)反復(fù)計算，最終選擇接觸剛度為6.6×109N/m，既可保證不會引起過大的滲透，又能保證收斂。

2.3材質(zhì)屬性

試驗臺側(cè)梁聯(lián)接的陰、陽接頭材質(zhì)均為20CrMo。由20CrMo的硬度為217 HBW，安全系數(shù)n=2.1，得許用接觸應(yīng)力為944 MPa。

2.4邊界條件

在模型一端施加2 500 kN的縱向載荷，另一端固定。在對稱面上施加對稱邊界條件。

3有限元分析結(jié)果

在不同縱向載荷下，陰接頭接觸正應(yīng)力沿環(huán)向的分布圖如圖4所示。

圖4　不同縱向載荷下陰接頭接觸正應(yīng)力沿環(huán)向的分布圖

陰、陽接頭接觸正應(yīng)力沿厚度方向(軸向)的分布圖如圖5所示。最終求得陰、陽接頭上最大接觸正應(yīng)力分別為730和503 MPa。最大接觸應(yīng)力小于許用值，因而結(jié)構(gòu)接觸強度滿足要求。

圖5　接頭接觸應(yīng)力沿厚度方向的分布圖

最后，應(yīng)該指出，提高材料的硬度可以提高許用接觸應(yīng)力，有效減少粘著磨損的發(fā)生，因而建議對接頭進行表面淬火處理。

4結(jié)語

通過分析，可以得出3個基本結(jié)論：1)接頭沿環(huán)向最大接觸正應(yīng)力均出現(xiàn)在環(huán)向0°位置，陰接頭接觸范圍為-41°～+41°，陽接頭接觸范圍為-60°～+60°；2)沿軸向接觸應(yīng)力的分布不均勻，在高接觸應(yīng)力區(qū)域應(yīng)力梯度很大；3)側(cè)梁聯(lián)接的最大接觸應(yīng)力小于材料的許用接觸應(yīng)力，滿足要求，采用表面淬火等方式可以進一步提高表面接觸強度。

參考文獻

[1] 應(yīng)天益. 國內(nèi)、外橋梁銷接節(jié)點設(shè)計方法[J]. 世界橋梁, 2011(2): 22-25.

[2] Johnson K L. 接觸力學(xué)[M]. 徐秉業(yè),譯.北京：高等教育出版社，1992.

[3] 張寶生，陳嘉慶，蔣力培，等. MARC在接觸分析中的應(yīng)用[J]. 軸承, 2003(11): 1-3.

[4] 李峰,趙杰. 應(yīng)用ANSYS求解赫茲接觸問題[J]. 機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新, 2006(6): 76-78.

責(zé)任編輯鄭練

Contact Stress Analysis of Static Strength Test of Side Beam Connection

WANG Tongchen, CHEN Lanfang

(Science and Technology Cooperation and Application Research Institute of Linyi City, Linyi 276000, China)

Abstract：In order to test the rationality of the design of the railway freight car body, provide the reliable basis for the optimization of the structure, so the static strength calculation and modal analysis of the car body structure must be carried out. The solid geometry model is established, and the contact stress is calculated by using the three-dimensional finite element method. The contact stress is calculated. The results are obtained by using the three-dimensional finite element method, and the surface hardening treatment is proposed to improve the surface contact strength.

Key words:pin, contact stress, intensity, finite element

收稿日期：2015-05-18

作者簡介：王同臣(1979-)，男，工程師，主要從事機械設(shè)計制造等方面的研究。

中圖分類號：TH 12

文獻標(biāo)志碼:A