初探在高应力区孔对结构强度的影响

2016-08-16何锦成

大科技 2016年17期

关键词：板簧大梁受力

何锦成

（韶关市浈江区有色金属加工厂广东韶关 512000）

初探在高应力区孔对结构强度的影响

何锦成

（韶关市浈江区有色金属加工厂广东韶关 512000）

本文对在高应力区域的孔的受力情况进行分析，并简述其对整体结构的影响。并以我公司的具体事例加以说明。

钻孔是指用钻头在实体材料上加工出孔的操作，在日常的机械连接中十分常见。例如冷铆，螺栓连接等都必须钻孔，在一些焊接无法使用的状况下其重要性更是无法替代。例如汽车大梁与一些附件（车桥，油箱，发动机等）的联接。汽车大梁不允许焊接主要有以下两大个原因：

（1）大气中的氮、水蒸汽等进入熔池，还会在随后冷却过程中在焊缝中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷，恶化焊缝的质量和性能。在现实中我们发现汽车大梁容易变硬变脆。

（2）焊接是一个局部的迅速加热和冷却过程，焊接区由于受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和收缩，冷却后在焊件中便产生焊接应力和变形

汽车尤其是载货汽车，其在负载大，高震动，及其复杂的受力情况下运行。汽车大梁如果焊接了，出现的问题几率就会十分大。因此所有的底盘厂家都有明文禁止汽车大梁焊接。因此在汽车大梁上钻孔就是一个不可替代的连接方式。也是目前运用最多的方式。但是在某些区域不当钻孔，却会引起致命的破坏

事故描述：

起重机在初期作业起吊时一切正常。当货物旋转并放入车厢时汽车大梁突然断裂，从图片可见，大梁从中间拦腰折断，断裂处为起重机和汽车车厢的中间。断口从下面汽车第二桥板簧座下开始撕裂，撕裂口整齐几乎成一直线。上部分无断裂，出现挤压的现象。，这种状况应该是属于极为严重的事故。在事故中幸好未出现人员受伤的情况。

密集的螺栓在吊机码机螺栓附近，而且汽车第二桥的板簧座也在附近。在密集的高应用区这些孔会有那些影响。我们现在先讨论孔的受力问题。

汽车大梁孔的受力情况，我们视同销轴过渡配合的销轴拉板，销孔的孔壁上承受正弦分布的载荷。

在实际设计时，计算危险截面A-A的拉应力和上半圆的挤压应力：

我们可以初步计算出我们汽车大梁的单个孔的受力情况。在高应力区域这些数值将会得到放大。

明显无论带入什么值，以上公式的计算值均在安全范围之内。那汽车大梁为何会断裂呢？我们对照了同一公告型号车底盘上的相同位置。有了新的发现，就是此处孔位十分密集，第一二排孔位是大梁与横梁联接固定螺栓孔，整齐划一，上下，左右，孔的中心间距只有50mm。下面有3个板簧座的固定孔。而且在大梁下翼面也有两个螺栓孔，用于第二桥的板簧与大梁的固定。而中间的那个大的孔则是排气管传感器的过线孔。而悄悄这些孔是成直线分布。由上面的分析可知，大梁上孔的危险截面A，几乎是重叠在一直线上。这就要求此处的材料刚性，强度，以及整体结构稳定性要非常好。不然由起重机产生300kN的力（作用在12mm宽的截面上）极容易造成失效。

对于多孔在大梁上的受力情况。我们避免了繁琐的计算，使用计算机的有限元分析。我们首先按真实比例绘制了汽车大梁图形，在图形中加载载荷，让计算机算出我们大梁的应力分布情况。其具体数学模型为简支梁上加载负载，简支梁截面为大梁截面，包含主支腿外各条桥的板簧座为支点，承受反力。

吊机工作时板簧座子处的承受了比较大的应力。而在各个孔所受应力的区域中，右侧几个孔的高应力区域在一定程度上联接起来了，形成线状分布，出现了类似裂纹的形状。我们再看看现实的状况，断裂的地方和模拟的情况基本一致。也就是说这次的事故是由这几个连续的孔开到高应力区造成失效而发生的。在高应力集中区域开孔时间比较危险的事尤其不能加工连续密集的孔。

我们在高应力区域应该如何做呢？

（1）尽量将应力分散，不要造成应力的集中，但现实情况往往是在有限的空间内要完成这样那样的功能要求。还要完成借助各种结构将应力分散到各个面，这种工作有时候是不太可能实现的。而在不可焊接的情况下也不开孔的话，对技术人员的要求会十分苛刻，也是不切实际的。在汽车大梁上钻孔也变得不可代替了。

（2）一些可有可无的孔，应尽量避免开。因为一开孔，就已经局部减弱了材料截面的强度。可以使用其他的方式完成。例如本事故中的大量中间的穿线大孔可以不用开。让传感器的线路从大梁的底下穿越。既可避免开孔也方便安装。唯一的缺陷就是不太美观，但这不是鱼和熊掌的取舍。选择安全可靠是永恒不变的前提，提美观其次。这样就可减少大梁上孔的大小和数量。

（3）在高应力的区域上开孔，应当避免孔的密集程度和排列方式。图1是底盘厂商给出的钻孔标准最小孔距要求。