發布時間：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，對固定鉸接結構進行強度校核。選擇接觸非線性有限元方法，采用空間六面體單元和四節點殼單元建立模型，對某鉸接結構及其連接螺栓進行靜強度分析。初步計算結果表明左鉸接件連接螺栓的應力不滿足設計要求。通過調整鉸接座的螺
摘要:為保證輕軌列車的行駛安全，對固定鉸接結構進行強度校核。選擇接觸非線性有限元方法，采用空間六面體單元和四節點殼單元建立模型，對某鉸接結構及其連接螺栓進行靜強度分析。初步計算結果表明左鉸接件連接螺栓的應力不滿足設計要求。通過調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固定鉸接結構進行改進，結果表明:螺栓和鉸接座的最大應力分別降低2.62%和41.85%，滿足設計要求。
關鍵詞:固定鉸接;螺栓;接觸非線性;方案改進;有限元
0引言
我國城市軌道交通處于快速發展的階段[1]，為滿足人們日常的出行需求，輕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行編組，鉸接結構與連接螺栓的強度直接關系到列車運行的安全性。
近年來，國內許多學者針對車輛關鍵部件進行結構優化研究。賀小龍等[2]分析鉸接裝置金屬關節軸承設計開發過程，確認新型鉸接金屬關節軸承能滿足城市軌道車輛運行疲勞性能要求，重點闡述結構設計、材料選擇和有限元分析過程。雷軍等[3]研究低地板車輛設計參數變化對各個接口鉸接力的影響，認為車體重心位置對鉸接力的大小有重要影響。羅斌等[4]完成轉動鉸接裝置的詳細結構設計，并通過強度計算分析，驗證產品滿足設計要求。以上研究只對影響鉸接結構性能的原因和設計參數進行分析，對鉸接內部結構進行方案優化設計方面的研究鮮有報道。[5]在車輛正常行駛過程中，固定鉸接承受大部分的載荷，固定鉸接與車體間通過螺栓連接，各方向加速度載荷對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，對固定鉸接結構和連接螺栓進行強度校核尤為重要。
本文以某輕軌車的固定鉸接為例，進行接觸非線性強度分析，根據有限元仿真結果對固定鉸接內部結構進行合理改進，使結構滿足靜強度應力要求，保證固定鉸接滿足安全性要求，延長使用壽命。
2固定鉸接結構接觸非線性計算分析
2.1模型介紹
常見的輕軌車輛是5節編組[8]，見圖1a)。輕軌車輛前后兩端模塊為動車模塊，拖車模塊位于車體中間，懸浮模塊位于拖車模塊兩側，且與動車模塊相連。固定鉸接結構位于相鄰車體的底部，可繞x、y和z方向轉動，限制不同模塊車體之間3個方向的平動。來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動載荷大部分由固定鉸接結構承受，并且通過固定鉸接結構和彈性鉸接結構傳遞到車體。同時，固定鉸接結構還限制不同模塊相鄰車體間的沉浮運動和側滾運動，使相鄰車體間僅存在相對搖頭自由度[9]。固定鉸接結構示意見圖1b)。
2.2有限元模型
固定鉸接結構由左鉸接件和右鉸接件組成，彼此通過關節軸承和銷軸傳遞載荷[10]，因此在校核固定鉸接部件強度時，可把左、右鉸接件分開，依次施加載荷計算。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45Gr鋼制M24螺栓(10.9級)與車體相連接。各結構彈性模量取2.1×105，泊松比為0.3，材料密度為7.85×10-3g/mm3。螺栓屈服強度取900MPa，其他部件屈服強度取750MPa，在螺栓中間截面處施加231250N預緊力。
整體有限元模型采用空間六面體單元和四節點殼單元混合建模，其中鉸接與螺栓結構全部采用六面體單元，左鉸接件整體模型總計79814個單元、86260個節點，右鉸接件整體模型總計54736個單元、56036個節點，有限元模型見圖2。利用接觸對定義各部件的連接關系，左、右鉸接件各5個接觸對，分別位于兩個鉸接座(2對)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計算工況
分析校核固定鉸接結構關鍵部件的強度，建立固定鉸接結構與車體連接關系模型。鉸接件與車體的連接作用對模型影響較大，為真實模擬鉸接結構受力情況，建立部分車體模型。車體模型的最遠端截面對部件計算結果影響較小，因此在該處施加x、y和z方向的平動和轉動約束。根據實際載荷工況，通過柔性單元將鉸接座銷軸孔處的所有節點綁定質量點，且載荷集中作用于此點。以沿車體方向為縱向，當固定鉸接結構受到縱向拉力時，左鉸接件載荷加載位置為繞鉸接座孔右端180°范圍內，右鉸接件載荷加載位置為繞鉸接座孔左端180°范圍內。當固定鉸接結構受縱向壓力時，受力位置和方向與受拉力時的相反。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載荷施加見圖3。工況2為列車制動工況，縱向載荷為400.0kN，橫向載荷為19.5kN，垂向載荷為26.8kN，工況2載荷施加見圖4。
2.4接觸非線性靜強度計算結果
經計算分析，在各工況下，右鉸接件各個部件的最大應力均小于其屈服強度，左鉸接件的鉸接座、車體連接板和螺紋板等部件的靜強度均合格。工況1左鉸接件螺栓的應力云圖見圖5，最大應力值為909.12MPa，大于其屈服強度。左、右鉸接件各部件在各工況的接觸非線性應力計算結果見表3。
3固定鉸接結構改進方案及其強度分析
3.1固定鉸接結構改進方案
結合以往經驗和有限元分析結果，改進固定鉸接結構設計方案。
3.1.1改進方案一
固定鉸接結構受3個方向載荷作用。作用于左、右鉸接件的載荷通過關節軸承和銷軸傳遞到鉸接座，鉸接座通過M24螺栓組將載荷傳遞到車體連接板，進而傳遞到整個車體。當縱向力和橫向力組合傳遞到鉸接座時，會使鉸接座兩端的螺栓發生較大變形，從而導致鉸接座兩側螺栓的應力較大，達不到設計要求。在原始模型基礎上，合理安排鉸接座上連接螺栓之間的距離，可降低兩側螺栓的應力值，使結構設計更合理。鉸接座改進方案一見圖6。
3.1.2改進方案二
初步分析鉸接結構，發現鉸接座上的螺栓孔邊與鉸接座兩側的連接螺栓應力都相對較大。在原始設計模型中，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力集中，且鉸接座的螺栓孔為下沉孔，對鉸接座的鑄造工藝要求較高。因此，在方案一的基礎上，加大螺栓孔與鉸接座邊界的距離并去掉螺栓的下沉孔，鉸接座改進方案二示意見圖7。
3.2改進方案計算結果
左鉸接件各個部件的應力計算結果對比見表4。根據設計準則，部件的應力值應小于其材料屈服強度應力，即安全系數大于1時滿足設計要求。
4結論
對輕軌車固定鉸接結構進行分析，發現螺栓之間的距離、螺栓孔與鉸接座邊界的距離對鉸接結構各個部件受力有較大影響，并據此對鉸接結構進行改進，結論如下:
(1)在列車行駛工況下，初始固定鉸接結構左鉸接件的M24螺栓最大應力為909.12MPa，大于其材料的屈服強度，不符合設計要求。
(2)合理調整螺栓間距，不滿足設計要求的工況1螺栓的應力由909.12MPa降為899.80MPa，小于其屈服應力，其他部件在各個工況下的應力也均有所降低。
(3)在合理調整螺栓間距的基礎上，加大螺栓孔與鉸接座邊界的距離并去掉螺栓的下沉孔，螺栓的最大應力由899.8MPa降為885.33MPa，鉸接座最大應力由425.87MPa降為249.27MPa，降幅明顯。
(4)通過2次改進，與初始模型相比，鉸接座的最大應力降幅為41.85%，車體連接板最大應力降幅為12.27%，螺栓的最大應力降幅為2.62%，可為輕軌車固定鉸接設計提供依據。
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