初探在高應力區孔對結構強度的影響

何錦成

（韶關市湞江區有色金屬加工廠 廣東韶關 512000）

初探在高應力區孔對結構強度的影響

何錦成

（韶關市湞江區有色金屬加工廠 廣東韶關 512000）

本文對在高應力區域的孔的受力情況進行分析，并簡述其對整體結構的影響。并以我公司的具體事例加以說明。

鉆孔是指用鉆頭在實體材料上加工出孔的操作，在日常的機械連接中十分常見。例如冷鉚，螺栓連接等都必須鉆孔，在一些焊接無法使用的狀況下其重要性更是無法替代。例如汽車大梁與一些附件（車橋，油箱，發動機等）的聯接。汽車大梁不允許焊接主要有以下兩大個原因：

（1）大氣中的氮、水蒸汽等進入熔池，還會在隨后冷卻過程中在焊縫中形成氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，惡化焊縫的質量和性能。在現實中我們發現汽車大梁容易變硬變脆。

（2）焊接是一個局部的迅速加熱和冷卻過程，焊接區由于受到四周工件本體的拘束而不能自由膨脹和收縮，冷卻后在焊件中便產生焊接應力和變形

汽車尤其是載貨汽車，其在負載大，高震動，及其復雜的受力情況下運行。汽車大梁如果焊接了，出現的問題幾率就會十分大。因此所有的底盤廠家都有明文禁止汽車大梁焊接。因此在汽車大梁上鉆孔就是一個不可替代的連接方式。也是目前運用最多的方式。但是在某些區域不當鉆孔，卻會引起致命的破壞

事故描述：

起重機在初期作業起吊時一切正常。當貨物旋轉并放入車廂時汽車大梁突然斷裂，從圖片可見，大梁從中間攔腰折斷，斷裂處為起重機和汽車車廂的中間。斷口從下面汽車第二橋板簧座下開始撕裂，撕裂口整齊幾乎成一直線。上部分無斷裂，出現擠壓的現象。，這種狀況應該是屬于極為嚴重的事故。在事故中幸好未出現人員受傷的情況。

密集的螺栓在吊機碼機螺栓附近，而且汽車第二橋的板簧座也在附近。在密集的高應用區這些孔會有那些影響。我們現在先討論孔的受力問題。

汽車大梁孔的受力情況，我們視同銷軸過渡配合的銷軸拉板，銷孔的孔壁上承受正弦分布的載荷。

在實際設計時，計算危險截面A-A的拉應力和上半圓的擠壓應力：

我們可以初步計算出我們汽車大梁的單個孔的受力情況。在高應力區域這些數值將會得到放大。

明顯無論帶入什么值，以上公式的計算值均在安全范圍之內。那汽車大梁為何會斷裂呢？我們對照了同一公告型號車底盤上的相同位置。有了新的發現，就是此處孔位十分密集，第一二排孔位是大梁與橫梁聯接固定螺栓孔，整齊劃一，上下，左右，孔的中心間距只有50mm。下面有3個板簧座的固定孔。而且在大梁下翼面也有兩個螺栓孔，用于第二橋的板簧與大梁的固定。而中間的那個大的孔則是排氣管傳感器的過線孔。而悄悄這些孔是成直線分布。由上面的分析可知，大梁上孔的危險截面A，幾乎是重疊在一直線上。這就要求此處的材料剛性，強度，以及整體結構穩定性要非常好。不然由起重機產生300kN的力（作用在12mm寬的截面上）極容易造成失效。

對于多孔在大梁上的受力情況。我們避免了繁瑣的計算，使用計算機的有限元分析。我們首先按真實比例繪制了汽車大梁圖形，在圖形中加載載荷，讓計算機算出我們大梁的應力分布情況。其具體數學模型為簡支梁上加載負載，簡支梁截面為大梁截面，包含主支腿外各條橋的板簧座為支點，承受反力。

吊機工作時板簧座子處的承受了比較大的應力。而在各個孔所受應力的區域中，右側幾個孔的高應力區域在一定程度上聯接起來了，形成線狀分布，出現了類似裂紋的形狀。我們再看看現實的狀況，斷裂的地方和模擬的情況基本一致。也就是說這次的事故是由這幾個連續的孔開到高應力區造成失效而發生的。在高應力集中區域開孔時間比較危險的事尤其不能加工連續密集的孔。

我們在高應力區域應該如何做呢？

（1）盡量將應力分散，不要造成應力的集中，但現實情況往往是在有限的空間內要完成這樣那樣的功能要求。還要完成借助各種結構將應力分散到各個面，這種工作有時候是不太可能實現的。而在不可焊接的情況下也不開孔的話，對技術人員的要求會十分苛刻，也是不切實際的。在汽車大梁上鉆孔也變得不可代替了。

（2）一些可有可無的孔，應盡量避免開。因為一開孔，就已經局部減弱了材料截面的強度。可以使用其他的方式完成。例如本事故中的大量中間的穿線大孔可以不用開。讓傳感器的線路從大梁的底下穿越。既可避免開孔也方便安裝。唯一的缺陷就是不太美觀，但這不是魚和熊掌的取舍。選擇安全可靠是永恒不變的前提，提美觀其次。這樣就可減少大梁上孔的大小和數量。

（3）在高應力的區域上開孔，應當避免孔的密集程度和排列方式。圖1是底盤廠商給出的鉆孔標準最小孔距要求。

圖1

很明顯這個標準在高應力的區域中有待討論。我個人卻認為這個并不適用。因為我們的事故車輛的孔就是按照這個標準執行的。筆者覺得這個標準應該更有彈性：

（1）橫向距離應該適當擴大，避免橫向聚集。

（2）縱向不應開孔超過三個，對開孔的孔徑也應有嚴格要求，最大不應該超過φ17。且盡量不按垂直于力的方向豎直排列。

（3）最上（下）方的孔距離上（下）翼面的距離不應小于55。避免破壞折彎角度處的強度。

（4）所鉆孔的表面粗糙度應該盡可能高，不能出現微小的裂紋。如果產生微小裂紋孔就在受力的情況下極有可能在裂紋處加速撕裂，容易破壞結構的穩定性。

[1]王金諾.起重運輸機金屬結構[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

[2]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2005.

TU375

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1004-7344（2016）17-0297-01

2016-6-2