轨道客车车体联接螺栓强度的数值模拟

2015-02-18毛会生谢素明李成林

大连交通大学学报 2015年1期

毛会生，谢素明，李成林

(1.大连交通大学交通运输工程学院，辽宁大连 116028;2.中国北车集团长春轨道客车股份有限公司技术中心，吉林长春 130062)*

0 引言

螺栓联接因其结构简单、制造拆装方便、成本低、具有多次重复使用的优点，获得了广泛的应用.在轨道客车车体结构设计中底架悬挂设备主要是通过螺栓与底架边梁与横梁联接;车体大部件之间的联接，如:高速动车组的枕梁与车体底架依靠螺栓联接.此外，为维修与组装便捷，模块化设计的司机室也是利用螺栓将其与车体主结构联接.这些联接螺栓的强度决定着客车车体运用的安全可靠性.

近年来，高阳等建立某城际动车组的车下大吨位设备吊装非线性有限元模型，通过查找各部件接触对、建立接触的局部坐标系并提取各工况接触面上的接触压力与接触摩擦力，实现了各工况吊装部件接触面的抗滑性分析［1］;兆文忠等对城际动车车下吊装结构联接螺栓进行接触有限元分析，总结了若干影响接触非线性分析的因素［2］;杨敏研究一种典型螺栓连接结构的非线性静力学行为，将螺栓连接结构简化计算结果同试验、精细模型结果进行了对比分析，验证了使用连接单元对螺栓连接结构进行简化有限元数值模拟的有效性［3］.

在EN12663-2010标准中相关载荷工况作用下，本文采用实体单元与接触单元模拟联接螺栓传力，对动车组的枕梁与边梁联接强度进行了接触非线性有限元分析与评价;利用梁单元与刚性单元结合模拟螺栓传力，对某地铁车司机室与车体联接强度进行静强度和疲劳强度分析及评价.

1 螺栓联接模拟及评估方法

利用有限元技术模拟联接螺栓传力的方法主要有两种:①梁单元与刚性单元结合模拟螺栓传力，适用于联接螺栓数目多、重点考察被联接件强度的情况;②需考察工作状态螺栓和被联接件接触部位的强度时，利用实体单元与接触单元模拟螺栓联接.

1.1 梁单元和刚性单元模拟联接螺栓

梁单元和刚性单元结合模拟螺栓及其联接关系时，首先在被连接件的螺栓孔中心建立结点;然后，在结点之间建立梁单元;最后，建立中心结点与被联接件的螺栓垫片面积大小内的结点的刚性约束关系.梁单元采用Beam188，该单元是三维线性二节点单元，每个节点有六个自由度.刚性约束关系利用RIGID单元，即:约束六个自由度的CE单元.

依据有限元分析结果，提取联接螺栓梁单元的内力，作为评估螺栓强度时的计算数据.在ANSYS中提取梁单元内力时，梁单元受拉时输出的轴向力为正;受压时输出的轴向力为负.实际上，螺栓在工作时仅考虑其承受拉力的情况，故梁单元受压时，认为螺栓工作拉力FL为0.在ANSYS中提取的螺栓工作剪力FT应是梁单元两个方向的剪力矢量之和.

考虑螺栓和被连接件的弹性变形，螺栓所受的总拉力Q不等于预紧力Qp和工作拉力FL之和;而是与Qp、FL和螺栓刚度CL，被连接件的刚度CF有关.当应变在弹性变形范围内，各零件受力可根据静力平衡和变形协调条件进行分析.因此，螺栓的总拉力等于预紧力加上部分工作载荷，即:

其中，CL/(CL+CF)为螺栓的相对刚度.对于采用金属垫片联接的螺栓，其相对刚度值为0.3.对于一定公称直径d的螺栓，当螺栓的拧紧力矩T已知时，可确定螺栓的预紧力，即:

Qp≈ T/(0.2d)

由于螺栓在装配时必须将螺母拧紧，所以螺栓螺纹部分不仅受预紧力所产生的拉应力的作用，同时还受螺纹副间的摩擦力矩所产生的扭转应力的作用，因此计算时将工作应力增大30%，以考虑扭转力矩的影响，这时螺栓的最大拉伸应力和最大切向应力分别为: σca=1.3Q/A;τca=FT/A

其中，A为螺栓的危险截面面积.螺栓静强度的许用应力: ［σ］=σs/n式中，安全系数 n取值范围为1.2 ～1.5.依据BS7608-2007标准，疲劳强度的许用应力范围:

［Δσ］=σb×nf

式中，安全系数nf的取值参见图1.

图1 轴向载荷作用下螺栓的Sr/UTS-N曲线(X级)

1.2 实体单元与接触单元模拟联接螺栓

实体单元和接触单元结合模拟螺栓及其联接关系时，首先，将被联接件和螺栓以及垫片离散为六面体单元;然后定义它们之间的接触关系.

实体单元采用Solid185，该单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着x、y、z方向的平移自由度.ANSYS软件定义一个接触单元称为一个接触对，由目标面Targe170和接触面Conta173组成.另外，接触对还需要定义方向刚度、穿透容差以及摩擦系数等参数［4］.

ANSYS软件利用预拉力单元PRETS179对螺栓实体单元施加预紧力.具体地，先通过PSMESH或者EINTF命令在一个已经划分网格的螺栓中定义一个截面并插入预拉力单元PRETS179;然后通过SLOAD命令来施加PRETS179单元的预应力.依据被联接件的厚度，确定施加预紧力的截面位置［5］.

2 动车组枕梁与边梁联接螺栓强度分析

动车组枕梁是动车组最重要的组成之一，我国不同客运专线的运营环境差异大、运营里程长，所以，动车组车体底架边梁和枕梁的联接螺栓承受着十分恶劣的工作载荷.某自主研发的动车组枕梁与边梁联接螺栓强度非线性分析的有限元模型主要由六面体与四节点薄壳单元组成，其中:枕梁、边梁、垫板、螺栓及滑块离散为六面体单元，车体地板及其它部件离散为四节点薄壳单元.有限元模型的单元总数为527557;节点总数为730382，其中:利用接触关系定义枕梁、边梁、螺栓以及螺栓滑块之间的相互作用关系，共计定义36个接触对.有限元模型的坐标系参见图2，图中x为车体纵向方向，y为车体垂向方向，z向为车体横向方向.

6）周边脚手架应从一个角部开始并向两边延伸交圈搭设；并应按定位依次竖起立杆，将立杆与纵、横向扫地杆连接固定，然后装设第l步的纵向和横向钢管，随校正立杆垂直之后予以固定，并按此要求继续向上搭设。脚手架各杆件相交伸出的端头均大于10cm，以防止杆件滑脱。

图2 枕梁与边梁联接螺栓强度分析模型

在远离枕梁的底架和侧墙的两端处施加纵向位移约束，侧墙联接处施加横向和垂向位移约束，枕梁空气弹簧处施加垂向位移约束.

依据EN 12663-2010标准，对枕梁与边梁联接螺栓强度非线性分析的计算工况共计四种，见表1.主要评估部件是8.8级的M 30螺栓、M 24螺栓、底架边梁、垫板和滑块.M 30螺栓的预紧力为150 000 N;M 24螺栓的预紧力93 750 N;摩擦系数取为0.15.

表1 枕梁与边梁联接螺栓强度计算工况

经接触非线性有限元分析，各计算工况作用下，M30螺栓、M24螺栓、底架边梁、垫板和滑块等部件静强度满足设计要求，见表2.

表2 枕梁与边梁螺栓联接强度分析结果与评价

在计算工况2作用下，M30与M24螺栓的Von Mises应力云图如图3所示.从图3可以看出，M30螺栓与M24螺栓最大应力均发生在螺栓头部接触位置，在载荷工况与预紧力作用下枕梁对螺栓头部内侧压力大，外侧压力小，因此该处螺栓头部与杆身的过渡部位应力最大.

图3 M30与M24螺栓应力云图

3 地铁车司机室联接螺栓强度分析

某城市地铁车司机室组成重1850 kg，它通过15个M8螺栓、23个M16螺栓与车体连接.地铁车司机室联接强度分析模型中，采用梁单元来模拟38个螺栓，为了便于施加边界条件，创建了整车的有限元模型.整车有限元模型的节点总数为1293035;单元总数为1279677，如图4所示.

图4 某地铁车司机室组成及联接强度分析模型

螺栓M8和M16的预紧力矩T分别为22和274 N·m.性能等级为8.8时，M8和M16的螺栓许用应力在427～533 MPa之间，许用应力范围为48 MPa;性能等级为10.9时，许用应力在600～750 MPa之间，许用应力范围为60 MPa.

依据EN 12663-2010标准，司机室联接螺栓静强度分析的计算载荷共计六种，见表3.疲劳强度分析的计算载荷共计三种:①垂向加速度为0.3 g;②横向加速度为0.3 g;③纵向加速度为0.3 g;循环次数为 107.

表3 司机室螺栓联接计算工况

司机室联接螺栓静强度分析结果:等级为8.8级的M8的螺栓工作应力小于螺栓的许用应力;等级为8.8级的M16的螺栓工作应力超出了螺栓的许用应力，但10.9级M16满足设计要求.表4给出了计算工况6下，部分螺栓的分析结果.各疲劳强度计算工况作用下，两种等级的螺栓均满足设计要求，表5给出了计算工况1下部分螺栓的分析结果.