發(fā)布時(shí)間：2020-04-13所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 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
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
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。
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18CrNiMo7-6QT，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900MPa，其他部件屈服強(qiáng)度取750MPa，在螺栓中間截面處施加231250N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)79814個(gè)單元、86260個(gè)節(jié)點(diǎn)，右鉸接件整體模型總計(jì)54736個(gè)單元、56036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400.6kN，橫向載荷為38.6kN，垂向載荷為24.5kN，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400.0kN，橫向載荷為19.5kN，垂向載荷為26.8kN，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909.12MPa，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。
3.2改進(jìn)方案計(jì)算結(jié)果
左鉸接件各個(gè)部件的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4。根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，部件的應(yīng)力值應(yīng)小于其材料屈服強(qiáng)度應(yīng)力，即安全系數(shù)大于1時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求。
4結(jié)論
對(duì)輕軌車固定鉸接結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)螺栓之間的距離、螺栓孔與鉸接座邊界的距離對(duì)鉸接結(jié)構(gòu)各個(gè)部件受力有較大影響，并據(jù)此對(duì)鉸接結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)論如下:
(1)在列車行駛工況下，初始固定鉸接結(jié)構(gòu)左鉸接件的M24螺栓最大應(yīng)力為909.12MPa，大于其材料的屈服強(qiáng)度，不符合設(shè)計(jì)要求。
(2)合理調(diào)整螺栓間距，不滿足設(shè)計(jì)要求的工況1螺栓的應(yīng)力由909.12MPa降為899.80MPa，小于其屈服應(yīng)力，其他部件在各個(gè)工況下的應(yīng)力也均有所降低。
(3)在合理調(diào)整螺栓間距的基礎(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，螺栓的最大應(yīng)力由899.8MPa降為885.33MPa，鉸接座最大應(yīng)力由425.87MPa降為249.27MPa，降幅明顯。
(4)通過(guò)2次改進(jìn)，與初始模型相比，鉸接座的最大應(yīng)力降幅為41.85%，車體連接板最大應(yīng)力降幅為12.27%，螺栓的最大應(yīng)力降幅為2.62%，可為輕軌車固定鉸接設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
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