動(dòng)車組車下制動(dòng)模塊框架靜強(qiáng)度及聯(lián)接螺栓非線性有限元分析

李成濤

【摘要】基于EN12663-2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的載荷工況同時(shí)考慮螺栓預(yù)緊力的作用，對某動(dòng)車組車下制動(dòng)模塊框架及螺栓進(jìn)行靜強(qiáng)度的非線性有限元分析，提取各計(jì)算工況的接觸面上的摩擦力和接觸壓力并計(jì)算抗滑性比例系數(shù)，實(shí)現(xiàn)螺栓接觸面的抗滑性分析，為發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的薄弱位置、優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)提供一定參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)車組；靜強(qiáng)度；非線性；抗滑性

1、引言

隨著動(dòng)車組運(yùn)行速度的不斷提高，動(dòng)車組車下吊裝設(shè)備框架及聯(lián)接螺栓承受的載荷越來越復(fù)雜，動(dòng)車組車下吊裝設(shè)備的安全性、可靠性越來越受到人們的關(guān)注。目前動(dòng)車組車下吊裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)往往憑借設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)和參考國內(nèi)外類似的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)初期采用有限元仿真的方法，對車下吊裝設(shè)備框架結(jié)構(gòu)及螺栓進(jìn)行靜強(qiáng)度仿真分析，指出設(shè)計(jì)中的薄弱位置，預(yù)防強(qiáng)度失效事故的發(fā)生，這對于動(dòng)車組的設(shè)計(jì)、制造、檢修具有重要意義。本文以某動(dòng)車組車下制動(dòng)模塊為研究對象，基于EN12663-2010標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的載荷工況，同時(shí)考慮螺栓預(yù)緊力的作用，對制動(dòng)模塊框架及螺栓進(jìn)行接觸非線性有限元分析，提取各工況接觸面上的摩擦力和接觸壓力并計(jì)算抗滑性比例系數(shù)，實(shí)現(xiàn)螺栓接觸面的抗滑性分析。

2、接觸非線性分析技術(shù)

兩個(gè)物體的接觸基本分為剛體—柔體的接觸、柔體—柔體的接觸。接觸分析在有限元模型中是通過接觸單元來實(shí)現(xiàn)的，常見的接觸單元有面—面接觸單元、點(diǎn)—面接觸單元、三維線—線接觸單元、線—面接觸、點(diǎn)—點(diǎn)接觸單元[1]。本文中對車下制動(dòng)模塊框架及聯(lián)接螺栓的非線性有限元分析采用的是面—面接觸單元，分析的主要流程為：①劃分網(wǎng)格，建立有限元模型；②定義contact面和target面；③定義/控制目標(biāo)面的運(yùn)動(dòng)；④邊界條件設(shè)定；⑤定義求解參數(shù)及載荷步；⑥計(jì)算求解。接觸問題的求解是一個(gè)不斷迭代直至收斂的過程，在此過程中需要調(diào)整一系列的參數(shù)，如法向罰剛度因子、穿透容差因子、接觸面行為（粗糙、綁定等）、接觸算法（罰函數(shù)法、增強(qiáng)的拉格朗日方法、MPC算法等），通過這些參數(shù)的調(diào)整在預(yù)緊力工況下得到結(jié)構(gòu)的合理的變形、均勻的應(yīng)力分布，從而進(jìn)行其它工況的求解。

3、有限元模型的建立

某動(dòng)車組車下制動(dòng)模塊總重為132.6kg。制動(dòng)模塊包含M8螺栓12個(gè)，M20螺栓12個(gè)，材質(zhì)分別為A4-70，8.8級。在有限元建模過程中，將吊裝部件離散為任意六面體solid185單元，風(fēng)缸質(zhì)量用mass單元模擬，螺栓及其聯(lián)接部件定義接觸關(guān)系，模型總計(jì)315124個(gè)單元，341088個(gè)節(jié)點(diǎn)，定義了84個(gè)接觸對。在底架兩個(gè)端部約束三個(gè)方向的線位移。建立的有限元模型如圖1所示。

（a）安裝吊座 （b）整體視圖

圖1 車下制動(dòng)模塊有限元模型

4、接觸非線性分析的計(jì)算工況

根據(jù)《BSEN12663-1：2010鐵路應(yīng)用鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求》，動(dòng)車組車下制動(dòng)模塊安裝屬于P-Ⅲ類設(shè)備安裝，靜強(qiáng)度分析載荷工況見表1所示。[2]

制動(dòng)模塊中M20螺栓預(yù)緊力矩275N-M，M8螺栓預(yù)緊力矩18.9N-M，依據(jù)文獻(xiàn)[3]，預(yù)緊力Qp與預(yù)緊力矩T關(guān)系為： （公式1）式中：d為螺栓公稱直徑。

5、接觸非線性分析結(jié)果

在表1中9種計(jì)算工況作用下，制動(dòng)模塊的接觸非線性分析結(jié)果如表2所示。從表中看出螺栓和與螺栓直接連接的部件在預(yù)緊力工況和8種工作載荷下最大von.mises應(yīng)力相差不大，工作載荷對于螺栓的受力影響較小，預(yù)緊力起主要作用。第4工況作用下個(gè)主要部件的最大von.mises應(yīng)力見圖2所示。

6、螺栓抗滑性分析

首先通過ANSYS軟件提取接觸面上的摩擦力f及接觸壓力Fn，抗滑性比例系數(shù)t可由公式2求得： （公式2）

此次螺栓接觸面滑動(dòng)情況分析是假設(shè)摩擦系數(shù)u為0.15。抗滑性比例系數(shù)越小，表明設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)抗滑性越好，安全性越高。下表3僅列出抗滑性比例系數(shù)大于0.04的接觸位置數(shù)據(jù).

7、結(jié)論

通過對某動(dòng)車組車下制動(dòng)模塊框架及聯(lián)接螺栓的非線性有限元分析，驗(yàn)證其強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。仿真計(jì)算結(jié)果表明：基于EN12663規(guī)定的載荷工況，框架模塊及螺栓的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求；對接觸面進(jìn)行抗滑性分析，比例系數(shù)小于0.05，抗滑性能良好。

參考文獻(xiàn)

[1]張紅松等.ANSYS12.0有限元分析從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]British Standard Institute（BSI）.BS EN12663-1：2010 Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies（Part 1：Locomotives and passenger rolling stock）[S].BSI，2010

[3]王文斌.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.