静强度试验台侧梁联接的接触应力分析

王同臣，陈兰芳

(临沂市科学技术合作与应用研究院,山东 临沂 276000)



静强度试验台侧梁联接的接触应力分析

王同臣，陈兰芳

(临沂市科学技术合作与应用研究院,山东 临沂 276000)

摘要：为检验铁路货车车体设计的合理性,并为车体结构优化提供可靠依据,应对车体结构进行静强度计算和模态分析。建立静强度试验台并对侧梁联接进行了实体几何建模，通过对弹性力学理论计算、有限元方法计算和静载试验等3种联接表面接触应力的研究方法进行比对，最终选择采用三维空间有限元方法对销孔的接触应力进行了计算，得到了销孔上接触应力沿环向及轴向的分布特点，最后给出了对接头进行表面淬火处理以达到提高表面接触强度的建议。

关键词：销接；接触应力；强度；有限元

铁路货车静强度试验台是为实现铁路货车静强度型式试验而设计的基础试验设备，其主要采用封闭的框架结构(见图1)。试验台框架部分主要由液压缸加载梁装配、活动加载梁装配、滑动加载梁装配、侧梁装配和车钩连接杆等组成。侧梁装配由几段不同长度的侧梁通过销接结构联接而成，销接结构由阴接头、阳接头和销子三部分组成(见图2)。

图1　静强度试验台框架结构

图2　侧梁联接的销接结构组成

在进行试验时，被测试车体位于封闭框架中央，两端分别与拉压连接杆连接，加载液压缸推或拉动滑动加载梁，通过拉压连接杆将加载力传递到车体，此时侧梁受到与作用载荷反向的力。在纵向压缩时，高达2 500 kN的纵向载荷通过销子传递给接头，在销子和接头圆孔接触处会产生比较大的接触应力，当接触应力足够大时，就会在接触点产生粘着或焊合，并在相对切向运动中被剪断或撕裂，致使材料转移或逐渐剥落，造成粘着磨损，直接危及侧梁联接的安全；因而，需要对该区域进行接触应力分析。

1销轴联接接触应力的研究方法

由于销轴联接具有结构简单、操作方便和更换容易等优点，在机械、建筑和水工等行业得到了广泛应用[1]。对于销轴联接表面接触应力的研究方法主要有弹性力学理论计算、有限元方法计算和静载试验等3种方法[2]。

弹性力学理论研究方法主要是应用Hertz接触理论，但该理论是在许多假设的前提下推导出的近似解，具有一定的局限性。销轴联接接触应力的有限元计算均采用二维模型， 没有考虑沿轴向的应力 变化，而实际上由于销子的弯曲会引起接触区域在轴向应力分布是不相同的，甚至只集中在一个很小的区域，从而在局部产生很高的表面接触应力，采用二维模型往往会得到不保守的结果[3]；因而，需要采用三维有限元模型来分析静强度试验台侧梁的销轴联接结构。

2有限元计算模型的建立

2.1有限元模型的建立

有限元模型如图3所示，在销轴联接外两端各取1 m长的结构建立模型，以消除边界条件对分析结果的影响，结构沿Y、Z轴是对称，因此取1/4结构建立模型，接头及销子均采用实体单元Solid 186进行模拟，接触对采用CONTA174单元和TARGE170单元进行模拟。

图3　S侧梁销轴联接有限元模型

2.2接触参数的选择

有限元模型中接触区域的网格密度、接触界面类型和接触刚度等物理性质参数的设定对分析结果有较大的影响[4]。

接触区域的网格应小于接触半宽的50%，试算后接触区域的单元长度取5 mm。

对于法向接触刚度的选择，经反复计算，最终选择接触刚度为6.6×109N/m，既可保证不会引起过大的渗透，又能保证收敛。

2.3材质属性

试验台侧梁联接的阴、阳接头材质均为20CrMo。由20CrMo的硬度为217 HBW，安全系数n=2.1，得许用接触应力为944 MPa。

2.4边界条件

在模型一端施加2 500 kN的纵向载荷，另一端固定。在对称面上施加对称边界条件。

3有限元分析结果

在不同纵向载荷下，阴接头接触正应力沿环向的分布图如图4所示。

图4　不同纵向载荷下阴接头接触正应力沿环向的分布图

阴、阳接头接触正应力沿厚度方向(轴向)的分布图如图5所示。最终求得阴、阳接头上最大接触正应力分别为730和503 MPa。最大接触应力小于许用值，因而结构接触强度满足要求。

图5　接头接触应力沿厚度方向的分布图

最后，应该指出，提高材料的硬度可以提高许用接触应力，有效减少粘着磨损的发生，因而建议对接头进行表面淬火处理。

4结语

通过分析，可以得出3个基本结论：1)接头沿环向最大接触正应力均出现在环向0°位置，阴接头接触范围为-41°～+41°，阳接头接触范围为-60°～+60°；2)沿轴向接触应力的分布不均匀，在高接触应力区域应力梯度很大；3)侧梁联接的最大接触应力小于材料的许用接触应力，满足要求，采用表面淬火等方式可以进一步提高表面接触强度。

参考文献

[1] 应天益. 国内、外桥梁销接节点设计方法[J]. 世界桥梁, 2011(2): 22-25.

[2] Johnson K L. 接触力学[M]. 徐秉业,译.北京：高等教育出版社，1992.

[3] 张宝生，陈嘉庆，蒋力培，等. MARC在接触分析中的应用[J]. 轴承, 2003(11): 1-3.

[4] 李峰,赵杰. 应用ANSYS求解赫兹接触问题[J]. 机电产品开发与创新, 2006(6): 76-78.

责任编辑郑练

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

作者简介：王同臣(1979-)，男，工程师，主要从事机械设计制造等方面的研究。

中图分类号：TH 12

文献标志码:A