動車組吊裝結(jié)構(gòu)及聯(lián)接螺栓接觸非線性有限元分析

李婭娜,倪強,李永明

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)

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動車組吊裝結(jié)構(gòu)及聯(lián)接螺栓接觸非線性有限元分析

李婭娜,倪強,李永明

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)

以某動車組制動模塊為研究對象，采用空間六面體單元和四節(jié)點殼單元混合建模的方式，對整體吊裝結(jié)構(gòu)進行8種工況的接觸非線性有限元分析，得出制動模塊各零部件靜強度滿足設(shè)計要求.利用子結(jié)構(gòu)技術(shù)，對吊座螺栓進行不同預緊力情況下的應力強度對比研究，得出預緊力是影響螺栓強度的主要因素，隨著預緊力的增加螺栓上的應力值逐漸增大.

吊裝結(jié)構(gòu)；螺栓；接觸非線性；子結(jié)構(gòu)

0 引言

近年來動車組運營速度不斷提升，運載量不斷增大，其運行的安全性、可靠性越來越受到人們的關(guān)注.動車組在運行時，各方向加速度載荷對吊裝關(guān)鍵部位的螺栓連接可靠性提出較高的要求[1]，其可靠性決定了整個吊裝的可靠性，因此對聯(lián)接螺栓進行精確的可靠分析是至關(guān)重要的.目前，國內(nèi)外對螺栓強度計算主要有兩種方法，一種是傳統(tǒng)的理論計算，一種是有限元分析研究.理論計算一般基于《機械設(shè)計手冊》，也有少數(shù)基于德國《VDI2230-2003螺栓強度校核標準》進行校核[2-3]，有限元分析研究方面，有的將螺栓簡化成梁單元進行分析，這種方法沒有考慮預緊力和連接件之間的接觸情況，適用于結(jié)構(gòu)模型大，螺栓數(shù)量多的強度計算，考慮了整體模型結(jié)構(gòu)但是螺栓聯(lián)接接觸計算的精確性不足[4]，有的將螺栓采用三維實體單元模擬，進行接觸非線性計算，考慮螺栓與連接件之間的接觸問題，考慮摩擦力作用，計算精度較高[5].

本文為了研究吊裝結(jié)構(gòu)及其聯(lián)接螺栓強度，為其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計和螺栓選擇方案提供支撐，基于接觸非線性有限元法，對動車組制動模塊進行靜強度分析，并運用子結(jié)構(gòu)技術(shù)對吊座螺栓連接部位進行有限元分析，研究了不同預緊力對螺栓強度的影響.

1 子結(jié)構(gòu)技術(shù)基本原理[6]

子結(jié)構(gòu)技術(shù)是有限元理論發(fā)展而成的一種高級分析技術(shù).本文所采用的方法是基于子結(jié)構(gòu)技術(shù)的靜態(tài)減縮法.

線彈性結(jié)構(gòu)靜力學有限元方程是：

式中:K為結(jié)構(gòu)總剛度矩陣；F為結(jié)構(gòu)外載荷向量；D為結(jié)構(gòu)待求自由度列向量.將待求的自由度列向量D進行劃分，一部分稱之為主自由度Dm，另一部分則稱之為從自由度Ds，總剛也作相應的劃分，于是有

展開式(2)得：

由式(3)中的第二個式可將Ds用Dm表示：

將式(4)代人到式(3)中的第一式，整理后得：

顯然，式(6)的求解規(guī)模遠遠小于原問題的求解規(guī)模.式(4)的主—從自由度的簡約關(guān)系，就是一個自由度凝聚過程.凝聚后的K′和F′分別為子結(jié)構(gòu)的超級單元的剛度矩陣和荷載列向量.由式(6)解出Dm后，回代到式(4)，即得從自由度Ds.

子結(jié)構(gòu)分析技術(shù)可以簡化整體結(jié)構(gòu)有限元分析，在計算機設(shè)備資源有限的情況下，為分析大型結(jié)構(gòu)及其局部結(jié)構(gòu)設(shè)計修改提供了可能.

2 吊裝接觸非線性靜強度計算

2.1 有限元模型

某動車組制動模塊由支撐架、風缸吊架、大風缸、小風缸、箱體、吊座等組成，其中大風缸質(zhì)量為14.83kg，小風缸質(zhì)量為9.9kg，箱體質(zhì)量為91kg，吊裝部件通過12個M20(8.8級)螺栓、12個M8螺栓(A2-70)與車體底架邊梁連接，如圖1所示.

整體有限元模型中采用空間六面體單元和四節(jié)點殼單元混合建模的方式，其中吊座結(jié)構(gòu)全部采用六面體單元，整體模型總計315 124單元，341 088個節(jié)點，并利用接觸關(guān)系定義各部件的連接關(guān)系，共計84個接觸對，有限元模型如圖2所示.

2.2 計算工況

(1)邊界條件：在遠離制動模塊的車體底架兩邊進行全約束，x=0,y=0,z=0.

(2)載荷工況

按照設(shè)備及其部件的加速度值按EN12663規(guī)定確定,如表1所示.預緊力取91 000N，摩擦系數(shù)保守按0.15計算.

表1 載荷工況的確定

注：根據(jù)制動模塊位置，c取0.84.

2.3 接觸非線性靜強度計算結(jié)果

經(jīng)過接觸非線性有限元分析,各計算工況作用下，支撐架、風缸吊架、螺栓、吊座等部件靜強度滿足設(shè)計要求，計算結(jié)果(VonMises應力) 如表2所示.

表2 制動模塊靜強度計算結(jié)果 MPa

表3給出M20螺栓在各工況作用下的應力最大值. 從表中可以看出螺栓應力的最大值均小于材料的屈服極限(640 MPa)，螺栓強度滿足設(shè)計要求，而且各工況作用下螺栓應力值變化不大，加速對其影響較小，預緊力對其影響較大.

表3 各工況下M20螺栓應力最大值 MPa

注：工況0為預緊工況.

M20應力最大值工況作用下(第7工況)，整體吊裝及M20螺栓的Von Mises應力云圖如圖3所示. 從圖中可以看出， M20螺栓最大應力發(fā)生在螺栓頭部接觸位置，在載荷工況與預緊力作用下吊座對螺栓頭部內(nèi)側(cè)壓力大，外側(cè)壓力小，因此該處螺栓頭部與桿身的過渡部位應力最大.

(a)整體 (b)螺栓

圖3 工況7應力云圖

3 預緊力對M20螺栓強度的影響

3.1 子結(jié)構(gòu)模型

通過整體模型的接觸非線性有限元計算，M20螺栓最大應力發(fā)生在工況7作用下，因此對第7工況利用子結(jié)構(gòu)技術(shù)，在M20螺栓上施加不同預緊力，考察其應力變化規(guī)律.吊座子結(jié)構(gòu)模型從圖4整體模型中切割出來，選取螺栓上A、B、C三點為應力考察節(jié)點.

(a)整體模型 (b)子模型

(c)M20螺栓 (d)局部放大

3.2 M20螺栓預緊力的選取

通常規(guī)定，擰緊后螺紋聯(lián)接件的預緊力不得超過其材料的屈服極限σs的80%.對于一般聯(lián)接用的鋼制螺栓聯(lián)接的預緊力Qp，推薦按式(7)確定：

式中：σs為螺栓材料的屈服極限；A1為螺栓危險截面的面積.

查機械設(shè)手冊[7]，8.8級M20螺栓σs=640MPa，A1=245mm2，故M20螺栓的預緊力Qp的范圍為78 400～109 760N.分別研究預緊力為79 000、85 000、91 000、97 000、103 000、109 000N時螺栓上的應力變化情況.

3.3 計算結(jié)果

經(jīng)過計算，得到M20螺栓接觸非線性計算結(jié)果如表4所示，不同預緊力下螺栓Von-Mises應力變化如圖5所示.

表4 不同預緊力計算結(jié)果

圖5 M20螺栓Von-Mises應力變化圖

4 結(jié)論

(1)吊裝整體接觸非線性有限元分析表明，各計算工況下，支撐架、風缸吊架、螺栓、吊座等部件靜強度滿足設(shè)計要求，但橫向、縱向、垂向的加速度載荷對螺栓上的應力影響不大，單純的預緊力對螺栓影響較大；

(2)由于預緊力只影響螺栓上的應力，對其它部分影響不大，所以在吊裝整體有限元分析中融入子結(jié)構(gòu)技術(shù)，把需要研究分析的螺栓吊座部分單獨提出，提高了結(jié)構(gòu)接觸非線性的計算效率，能夠進行多方案的分析對比研究；

(3)隨著預緊力的增大，M20螺栓上的應力逐漸增大，而且最大應力值A(chǔ)點變化比B、C兩點大，相同預緊力下，A點應力最大，C點應力最小，就螺栓連接可靠性而言，選取較大的預緊力比較有利，但過大的預緊力又會使得螺栓螺桿部位應力較大，因此在裝配擰緊時需要合理控制預緊力的大小.

[1]金鑫.高速檢測列車車體及固結(jié)結(jié)構(gòu)的強度研究[D].北京：北京交通大學,2012.

[2]DARIOCROCCOLO,MASSIMILIANODEAGOSTINIS,NICOLVINCENZI.Acontributiontotheselectionandcalculationofscrewsinhighdutyboltedjoints[J].InternationalJournalofPressureVesselsandPiping,2012:38-48.

[3]陳真,杜靜,何玉林,等.采用VDI2230的風力發(fā)電機組塔筒法蘭聯(lián)接處螺栓強度分析[J].現(xiàn)代制造工程,2011(5):125-129.

[4]徐梓雯，那景新，張志遠，等.螺栓連接有限元模型的彈性接觸研究[J].中國機械工程,2012,23(15)：1830-1839.

[5]兆文忠，蔡培培，王劍.接觸非線性分析及對車下吊裝聯(lián)接結(jié)構(gòu)螺栓可靠性的校驗[J].大連交通大學學報，2012，33(3)：7-9.

[6]王勖成.有限單元法[M].北京:清華大學出版社，2003.

[7]成大先.機械設(shè)計手冊(上冊)[M].2版，北京：化學工業(yè)出版社,1987:759-760.

Contact Nonlinear Analysis of Suspended Structure and Coupling Bolts on EMU

LI Yana,NI Qiang,LI Yongming

(School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Taking a braking module on EMU as an object,contact nonlinear finite element analysis of suspended structure was studied on eight load conditions based on the mixed modeling of spatial hexahedral elements and four-node shell elements.Results show that the static strength of every component meets the design requirements.Also,the stresses of the bolts with different preload are comparatively analyzed using substructure technique.Results show that the preload is the main factor of bolt strength,and the greater the bolt preload,the greater the stress is.

suspended structure;bolt;contact nonlinear;substructure

1673-9590(2015)03-0014-04

2014-05-22

李婭娜(1977-)，女，副教授，博士，主要從事車輛CAD/CAE及其關(guān)鍵技術(shù)的研究E-mail:lyn@djtu.edu.cn.

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