輕軌車固定鉸接結(jié)構(gòu)有限元分析及方案改進(jìn)

李婭娜 李東東 姜士鴻

摘要：為保證輕軌列車的行駛安全，對(duì)固定鉸接結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核。選擇接觸非線性有限元方法，采用空間六面體單元和四節(jié)點(diǎn)殼單元建立模型，對(duì)某鉸接結(jié)構(gòu)及其連接螺栓進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。初步計(jì)算結(jié)果表明左鉸接件連接螺栓的應(yīng)力不滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)調(diào)整鉸接座的螺栓孔距、取消螺栓安裝鉸接座上的下沉孔、加大螺栓孔與鉸接座邊界的距離對(duì)固定鉸接結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)果表明：螺栓和鉸接座的最大應(yīng)力分別降低2.62%和41.85%，滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：固定鉸接; 螺栓; 接觸非線性; 方案改進(jìn); 有限元

中圖分類號(hào)：U260.331.7;U270.34;TB115.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Finite element analysis and scheme improvement on

fixed articulated structure of light rail vehicle

LI Yana1， LI Dongdong1， JIANG Shihong2

（1.College of Locomotive and Rolling Stock Engineering， Dalian Jiaotong University， Dalian 116028， Liaoning， China;

2.CRRC Changchun Railway Vehicles Co.， Ltd.， Changchun 130062， China）

Abstract：

To ensure the driving safety of light rail trains， the strength of fixed articulation structure is checked. The model is established using space hexahedron element and four-node shell element by contact nonlinear finite element method. The static strength of an articulation structure and its connecting bolts is analyzed. The preliminary calculation results show that the stress of the left part articulation bolts does not meet the design requirements. By adjusting the bolt hole space of articulation seat， canceling the subsidence hole on the articulation seat of the bolt installation， increasing the distance between bolt hole and articulation seat boundary， the fixed articulation is improved. The results show that the maximum stress of bolts and articulation seat is reduced by 2.62% and 41.85%， respectively， which meets the design requirements.

Key words：

fixed articulation; bolt; contact nonlinearity; program improvement; finite element

收稿日期：2019-07-03

修回日期：2019-07-17

作者簡(jiǎn)介：

李婭娜（1977—），女，遼寧大連人，副教授，博士，研究方向?yàn)檐囕v結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，（E-mail）lyn1977522@163.com

通信作者： 李東東（1993—），男，江蘇宿遷人，碩士研究生，研究方向?yàn)檐囕v關(guān)鍵技術(shù)及其CAE，（E-mail）632963215@qq.com

0?引?言

我國(guó)城市軌道交通處于快速發(fā)展的階段[1]，為滿足人們?nèi)粘５某鲂行枨螅p軌車成為某些城市的最佳選擇。大部分輕軌車以鉸接的形式進(jìn)行編組，鉸接結(jié)構(gòu)與連接螺栓的強(qiáng)度直接關(guān)系到列車運(yùn)行的安全性。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)車輛關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。賀小龍等[2]分析鉸接裝置金屬關(guān)節(jié)軸承設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，確認(rèn)新型鉸接金屬關(guān)節(jié)軸承能滿足城市軌道車輛運(yùn)行疲勞性能要求，重點(diǎn)闡述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和有限元分析過(guò)程。雷軍等[3]研究低地板車輛設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)各個(gè)接口鉸接力的影響，認(rèn)為車體重心位置對(duì)鉸接力的大小有重要影響。羅斌等[4]完成轉(zhuǎn)動(dòng)鉸接裝置的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算分析，驗(yàn)證產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)要求。以上研究只對(duì)影響鉸接結(jié)構(gòu)性能的原因和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)鉸接內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究鮮有報(bào)道。[5]在車輛正常行駛過(guò)程中，固定鉸接承受大部分的載荷，固定鉸接與車體間通過(guò)螺栓連接，各方向加速度載荷對(duì)螺栓連接的可靠性提出較高的要求。為保證列車的行駛安全，對(duì)固定鉸接結(jié)構(gòu)和連接螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核尤為重要。

本文以某輕軌車的固定鉸接為例，進(jìn)行接觸非線性強(qiáng)度分析，根據(jù)有限元仿真結(jié)果對(duì)固定鉸接內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理改進(jìn)，使結(jié)構(gòu)滿足靜強(qiáng)度應(yīng)力要求，保證固定鉸接滿足安全性要求，延長(zhǎng)使用壽命。

1?彈性接觸問(wèn)題的有限元法

接觸問(wèn)題屬于典型的不定邊界問(wèn)題。[6]求解邊界不定的接觸問(wèn)題時(shí)，運(yùn)用有限元法只能假定一種邊界條件。對(duì)于由a和b兩個(gè)物體產(chǎn)生的接觸問(wèn)題，以節(jié)點(diǎn)、位移為未知量的有限元方程組[7]為

Kaua=Ra+

Pa（1）

Kbub=Rb+Pb

（2）

式中：K為物體剛度矩陣，隨接觸狀態(tài)改變而改變;

u為物體的節(jié)點(diǎn)位移;R為物體的節(jié)點(diǎn)力;P為作用在物體上的外力。u和R都是未知量，方程不能直接求解，只能通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的位移相容關(guān)系計(jì)算得到。

物體a和b接觸面上的節(jié)點(diǎn)分別為ia和ib，如果K為非奇異矩陣，就可以計(jì)算節(jié)點(diǎn)的柔度，即

u?a，i?=mj=1C?a，ij

R?a，j?+nak=1C?a，ik

P?a，k（3）

u?b，i?=mj=1C?b，ij

R?b，j?+nbk=1C?b，ik

P?b，k（4）

式中：i、 j和k表示節(jié)點(diǎn)號(hào);na和nb為節(jié)點(diǎn)對(duì)的數(shù)目;

Cij?和Cik?分別為由j和k點(diǎn)的單位力在i點(diǎn)引起的x、y和z方向的3×3階柔度子矩陣。

2?固定鉸接結(jié)構(gòu)接觸非線性計(jì)算分析

2.1?模型介紹

常見(jiàn)的輕軌車輛是5節(jié)編組[8]，見(jiàn)圖1a）。輕軌車輛前后兩端模塊為動(dòng)車模塊，拖車模塊位于車體中間，懸浮模塊位于拖車模塊兩側(cè)，且與動(dòng)車模塊相連。固定鉸接結(jié)構(gòu)位于相鄰車體的底部，可繞x、y和z方向轉(zhuǎn)動(dòng)，限制不同模塊車體之間3個(gè)方向的平動(dòng)。來(lái)自不同模塊相鄰車體的重力載荷和由車輛加、減速引起的縱向沖擊運(yùn)動(dòng)載荷大部分由固定鉸接結(jié)構(gòu)承受，并且通過(guò)固定鉸接結(jié)構(gòu)和彈性鉸接結(jié)構(gòu)傳遞到車體。同時(shí)，固定鉸接結(jié)構(gòu)還限制不同模塊相鄰車體間的沉浮運(yùn)動(dòng)和側(cè)滾運(yùn)動(dòng)，使相鄰車體間僅存在相對(duì)搖頭自由度[9]。固定鉸接結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1b）。

2.2?有限元模型

固定鉸接結(jié)構(gòu)由左鉸接件和右鉸接件組成，彼此通過(guò)關(guān)節(jié)軸承和銷軸傳遞載荷[10]，因此在校核固定鉸接部件強(qiáng)度時(shí)，可把左、右鉸接件分開(kāi)，依次施加載荷計(jì)算。左、右鉸接件均由鉸接座、螺紋板、車體連接板和螺栓等組成。鉸接座、螺紋板和車體連接板的材料為18CrNiMo7-6 QT，鉸接座由20個(gè)45Gr鋼制M24螺栓（10.9級(jí)）與車體相連接。各結(jié)構(gòu)彈性模量取2.1×105，泊松比為0.3，材料密度為7.85×?10-3g/mm3。螺栓屈服強(qiáng)度取900 MPa，其他部件屈服強(qiáng)度取750 MPa，在螺栓中間截面處施加231 250N預(yù)緊力。

整體有限元模型采用空間六面體單元和四節(jié)點(diǎn)殼單元混合建模，其中鉸接與螺栓結(jié)構(gòu)全部采用六面體單元，左鉸接件整體模型總計(jì)79 814個(gè)單元、86 260個(gè)節(jié)點(diǎn)，右鉸接件整體模型總計(jì)54 736個(gè)單元、56 036個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元模型見(jiàn)圖2。利用接觸對(duì)定義各部件的連接關(guān)系，左、右鉸接件各5個(gè)接觸對(duì)，分別位于兩個(gè)鉸接座（2對(duì)）之間、螺栓與鉸接座之間、鉸接座與車體連接板之間，以及車體連接板與螺紋板之間。

2.3?計(jì)算工況

分析校核固定鉸接結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件的強(qiáng)度，建立固定鉸接結(jié)構(gòu)與車體連接關(guān)系模型。鉸接件與車體的連接作用對(duì)模型影響較大，為真實(shí)模擬鉸接結(jié)構(gòu)受力情況，建立部分車體模型。車體模型的最遠(yuǎn)端截面對(duì)部件計(jì)算結(jié)果影響較小，因此在該處施加x、y和z方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)約束。根據(jù)實(shí)際載荷工況，通過(guò)柔性單元將鉸接座銷軸孔處的所有節(jié)點(diǎn)綁定質(zhì)量點(diǎn)，且載荷集中作用于此點(diǎn)。以沿車體方向?yàn)榭v向，當(dāng)固定鉸接結(jié)構(gòu)受到縱向拉力時(shí)，左鉸接件載荷加載位置為繞鉸接座孔右端180°范圍內(nèi)，右鉸接件載荷加載位置為繞鉸接座孔左端180°范圍內(nèi)。當(dāng)固定鉸接結(jié)構(gòu)受縱向壓力時(shí)，受力位置和方向與受拉力時(shí)的相反。工況1為列車行駛工況，縱向載荷為400.6 kN，橫向載荷為38.6 kN，垂向載荷為24.5 kN，工況1載荷施加見(jiàn)圖3。工況2為列車制動(dòng)工況，縱向載荷為400.0 kN，橫向載荷為19.5 kN，垂向載荷為26.8 kN，工況2載荷施加見(jiàn)圖4。

2.4?接觸非線性靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算分析，在各工況下，右鉸接件各個(gè)部件的最大應(yīng)力均小于其屈服強(qiáng)度，左鉸接件的鉸接座、車體連接板和螺紋板等部件的靜強(qiáng)度均合格。工況1左鉸接件螺栓的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5，最大應(yīng)力值為909.12 MPa，大于其屈服強(qiáng)度。左、右鉸接件各部件在各工況的接觸非線性應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

3?固定鉸接結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案及其強(qiáng)度分析

3.1?固定鉸接結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)和有限元分析結(jié)果，改進(jìn)固定鉸接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

3.1.1?改進(jìn)方案一

固定鉸接結(jié)構(gòu)受3個(gè)方向載荷作用。作用于左、右鉸接件的載荷通過(guò)關(guān)節(jié)軸承和銷軸傳遞到鉸接座，鉸接座通過(guò)M24螺栓組將載荷傳遞到車體連接板，進(jìn)而傳遞到整個(gè)車體。當(dāng)縱向力和橫向力組合傳遞到鉸接座時(shí)，會(huì)使鉸接座兩端的螺栓發(fā)生較大變形，從而導(dǎo)致鉸接座兩側(cè)螺栓的應(yīng)力較大，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。在原始模型基礎(chǔ)上，合理安排鉸接座上連接螺栓之間的距離，可降低兩側(cè)螺栓的應(yīng)力值，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理。鉸接座改進(jìn)方案一見(jiàn)圖6。

3.1.2?改進(jìn)方案二

初步分析鉸接結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)鉸接座上的螺栓孔邊與鉸接座兩側(cè)的連接螺栓應(yīng)力都相對(duì)較大。在原始設(shè)計(jì)模型中，螺栓孔距鉸接座的邊界很近，容易造成鉸接座與連接螺栓的應(yīng)力集中，且鉸接座的螺栓孔為下沉孔，對(duì)鉸接座的鑄造工藝要求較高。因此，在方案一的基礎(chǔ)上，加大螺栓孔與鉸接座邊界的距離并去掉螺栓的下沉孔，鉸接座改進(jìn)方案二示意見(jiàn)圖7。