城轨车辆车钩螺栓连接仿真及强度分析

1、城轨车辆车钩螺栓连接仿真及强度分析潘铖凌【摘 要】采用整体建模的方法,建立城轨车辆车钩螺栓连接有限元非线性接触模型 进行强度分析,仿真分析结果表明,螺栓螺纹部分最大应力与理论计算结果吻合,有限 元仿真模型能真实模拟螺栓连接;提取极限载荷下螺栓的轴向拉力,运用 VDI 22302003 标准对螺栓的拉伸强度进行分析,并和传统机械设计方法的螺栓强度 分析结果进行比较,两种方法的螺栓拉伸强度均满足要求,为车钩螺栓连接设计提供 了理论依据.期刊名称】南京工程学院学报(自然科学版)年(卷),期】2018(016)002【总页数】5页(P74-78)【关键词】高强度螺栓；VDI2230;非线性接触分析;传

2、统机械设计方法;强度分析【作 者】 潘铖凌【作者单位】 南京康尼机电股份有限公司轨道事业总部技术中心,江苏 南京210013【正文语种】 中 文【中图分类】 TH131.3城轨车辆车钩结构的关键连接部件多为高强度螺栓,是车钩结构中的重要部件.为了 提高车辆行驶的安全性和可靠性,需要对车钩结构高强度螺栓连接进行强度分析和 评估1. 目前,对高强度螺栓连接强度分析主要有传统机械设计和有限元仿真分析两个方法, 也有采用VDI 22302003标准进行强度分析的有限元仿真分析通常是提取螺栓 组中受力最大的一对螺栓进行分析,这种思路仅适用于对螺栓的受力能精确计算的 场合;用一维梁单元模拟螺栓或者直接把载

3、荷施加到螺栓孔上,这种思路虽然考虑了 螺栓连接的整体模型，但是缺少螺栓连接非线性接触计算的精确性2-5. 本文以某型城轨车辆车钩结构的高强度连接螺栓为研究对象,为充分考虑车钩结构 及连接螺栓的实际情况,保证计算的精确性和真实性,采用整体建模的方法,以六面体 单元为主,建立整个车钩螺栓连接有限元非线性接触分析模型.通过仿真分析,得出螺 栓螺纹部分的最大应力,并与理论计算结果进行分析比较;同时提取螺栓轴向拉力,结 合传统机械设计方法和VDI 22302003标准，对螺栓的拉伸强度进行分析和评估, 从而为车钩螺栓连接设计提供理论依据.车钩螺栓连接有限元非线性接触分析几何模型图1 车钩螺栓连接结构模型

4、图1为车钩螺栓连接的结构模型，车钩通过4个M36 mmx150 mm(编号1- 4,10.9级)高强度螺栓与车钩安装座连接.车钩螺栓连接三维几何模型在 SolidWorks中建立并导入仿真分析软件为重点分析高强度连接螺栓并减少仿真分 析的规模,仅选取和车钩连接螺栓直接相关的零部件,包括车钩安装座、车钩、螺母 垫片及螺母卡座.接触分析有限元模型单元网格划分与接触属性设置选用六面体单元为主划分了整个结构模型，单元类型选用线性非协调单元(C3D8I )和 线性楔形单元(C3D6)，以提高非线性接触分析的精度和计算效率6.整个有限元模 型包含单元数609 370个,节点数715 765个. 根据结构模

5、型的装配关系确定出各零部件之间的接触对,接触行为属于小滑移,切线 方向采用罚函数库伦摩擦，摩擦系数p=0.15.整个有限元模型共计24个接触对.计算工况(a) 拉伸载荷(b) 压缩载荷图2 车钩螺栓连接极限载荷的施加根据车钩连接技术规范,车钩螺栓连接有两种极限工况:车钩受到850 kN的纵向拉力;车钩受到1 200 kN 的纵向压力.将极限工况载荷以分布压力的形式分别施加到 车钩销轴孔的前半部分(拉伸时)和后半部分(压缩时),见图2.螺栓预紧力F0和扭紧力矩T的关系为7T=kF0d(1)图3 车钩螺栓连接有限元非线性接触分析模型式中:k为拧紧力矩系数,此处取k=0.2;d为螺栓公称直径,d=3

6、6 mm.车钩连接螺栓扭紧力矩T=2 600 Nm,则螺栓预紧力F0=361 111 N.使用螺栓载 荷将预紧力F0施加到仿真分析模型中.边界条件根据车钩安装座在车体的安装情况,并结合有限元简化模型,边界条件设置为:1) 限制 车钩安装座顶板上端面的6个自由度,施加固支边界条件;2) 限制车钩安装座底板侧 边及前座、后座侧边的6个自由度,施加固支边界条件.设置完成后的车钩螺栓连接 有限元非线性接触分析模型如图3所示.仿真分析结果车钩连接螺栓轴向拉力表1螺栓的轴向总拉力F2 N工况1号螺栓2号螺栓3号螺栓4号螺栓拉伸390033389 981389 569389 612压缩357 366357

7、386358 197358 171经过有限元非线性接触仿真分析，得出在拉伸和压缩极限工况下4个M36 mmx150 mm(10.9级)车钩连接螺栓上的轴向拉力，见表1由表1可知，承受载荷 较大、较危险的为1号车钩连接螺栓，其承受的最大轴向总拉力F2 = 390 033 N.车钩连接螺栓螺纹部分应力图4车钩连接螺栓螺纹部分应力云图应力分析结果表明,1号车钩连接螺栓螺纹部分最大应力为665 MPa,如图4所示； 最大应力出现在螺栓、螺母旋合处第1、2圈螺纹牙位置,这个与螺栓连接的实际工 作情况相符7.车钩连接螺栓应力的理论计算 车钩螺栓连接为普通螺栓连接而非铰制孔用螺栓连接,工作时只承受轴向拉力的

8、作 甩不受横向剪切力的作用在拉伸极限工况下，轴向拉力包括螺栓轴向预紧力F0和 轴向工作载荷F.在850 kN的极限纵向拉力作用下，每个螺栓受到的轴向工作载荷为F=(850 x1 000)/4=212 500 N螺栓受到的轴向总拉力为7(2)式中，为螺栓的相对刚度，有金属垫片时可取0.20.37,此处取为0.25. 车钩连接螺栓为承受预紧力和轴向工作拉力的紧螺栓连接,螺栓危险截面的拉伸应 力为8式中,AS为螺栓等效应力截面积，见表2. 有限元仿真分析知车钩连接螺栓螺纹部分最大应力为665 MPa,理论计算验证了有 限元非线性接触分析的正确性.表2车钩连接螺栓的结构尺寸参数公称直径d/mm螺纹中径

9、d2/mm螺纹小径 d1/mm 应力截面积 AS/mm2 螺距 P/mm3633.40231.670816.734车钩连接螺栓强度分析车钩连接螺栓的基本参数查阅机械设计手册,M36 mmx150 mm（10.9级）车钩连接螺栓螺纹为粗牙普通螺 纹,其结构尺寸参数见表29.基于传统机械设计方法的螺栓强度分析车钩连接螺栓轴向总拉力F2 = 390 033 N,d1为螺纹小径，见表2,则车钩连接螺栓 危险截面的拉伸应力为9螺栓（10.9级）的屈服极限os=940 MPa,安全系数S=os/oca = 1.46,车钩连接螺栓 拉伸强度满足要求.3.3基于VDI 22302003标准的螺栓强度分析VDI

10、 22302003螺栓强度校核标准,在德国及其它地方已经获得广泛应用,适用于 高强度螺栓连接的设计计算.3.3.1 计算螺栓的等效应力螺栓在拉伸及扭转共同作用下的等效应力为（3）式中:azmax为最大轴向拉伸应力，其中,FSmax为最大轴向总拉力,FSmax二F2=390 033 N）,计算出 azmax=477.55 MPa；Tmax 为最大扭转剪应 力，其中,MG为螺栓螺纹副之间的摩擦力矩,为螺纹的中径,P为螺纹的螺距川Gmin 为螺纹副的摩擦系数，取pGmin=0.12,FMzul为螺栓装配预紧力,FMzul = F0=361111 N，计算得出MG = 1 065 775.4 Nmm;

11、WP为螺栓横截面的抗扭截面模量，为 等效直径,4 mm，计算得出WP=6 584.36 mm3),因此,MPa;kT为减少系数，推荐 取0.5.经计算得出螺栓等效应力ored,B=497.70 MPa.计算螺栓的安全系数在90%的最小屈服极限Rp0.2 min时的作用力F0.2 min,可由VDI 22302003 标准的表A11查得:F0.2 min=770 000 N.则螺栓材料的最小屈服极限Rp0.2 min 为螺栓的安全系数为综上所述,车钩连接螺栓拉伸强度满足要求.结论建立了车钩螺栓连接有限元非线性接触分析模型,得到极限载荷下螺栓的轴向拉力，运用传统机械设计方法和VDI 2230200

12、3标准，对螺栓的拉伸强度进行分析和 评估,从而为车钩螺栓连接设计提供理论依据.在极限载荷下,车钩连接螺栓螺纹部分最大应力出现在螺栓、螺母旋合处第1、2 圈螺纹牙位置,与实际情况相符,说明仿真分析模型能真实地模拟螺栓连接.基于传统机械设计方法和VDI 22302003标准分析螺栓轴向拉伸强度，安全系 数分别为1.46和1.89.因此,螺栓拉伸强度满足要求.但传统机械设计方法安全系数 较低，设计偏于保守,应采用VDI 22302003标准设计，以利于高强度螺栓性能的 充分发挥.参考文献:相关文献】孟繁强机车车辆转向架螺栓联结强度研究D.成都:西南交通大学,2015:1-4.王为辉，李娅娜,王春燕基于VDI 22302003标准的动车组车钩联接螺栓强度分析J.大连交通 大学学报,2015(4):22-25.张长庚，李军灵，苏柯城轨车辆车钩连接仿真方式研究J.技术与市场,2014:30-32.何玉林张立刚，韩德海，等风力机轮毂和轴承螺栓联接接触分析J.重庆大学学报,2009(7):762- 774