鄭小艷
(陜西漢德車橋有限公司,陜西 西安 710200)
螺栓連接作為一種可拆卸式的連接方式,廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備中聯(lián)結(jié)件厚度不大的場(chǎng)合。螺栓連接中,連接件和被連接件相互之間的作用力比較復(fù)雜,螺栓預(yù)緊力和相互間接觸是比較重要的兩個(gè)特點(diǎn)。
我們?cè)趯?duì)重型車橋墊壓板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),往往忽略了螺栓預(yù)緊力對(duì)其的影響。例如某重型車橋空簧結(jié)構(gòu)壓板在螺栓擰緊后出現(xiàn)輕微變形,中間高出兩邊0.8mm 左右,如圖1 所示。
基于有限元方法,采用非線性分析軟件對(duì)考慮螺栓預(yù)緊工況下的空簧壓板結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。
圖2 原始結(jié)構(gòu):焊縫長(zhǎng)60mm 圖3 改進(jìn)方案一:加支撐板
接觸問題是一種典型的邊界條件非線性問題,即邊界條件在分析過程中發(fā)生變化,其特點(diǎn)是:邊界條件不是在計(jì)算的開始就可以全部給出,而是在計(jì)算過程中確定的,接觸體之間的接觸面積和壓力分布隨外載荷變化。
原始結(jié)構(gòu)墊壓板焊縫長(zhǎng)度均為60mm,如圖2 所示;改進(jìn)方案一為在墊壓板之間增加支撐板結(jié)構(gòu),如圖3 所示;改進(jìn)方案二為將墊板和壓板焊縫分別加長(zhǎng)至100mm和130mm,如圖4 所示。
圖4 改進(jìn)方案二:焊縫加長(zhǎng)至100/130mm
(1)材料參數(shù)
材料參數(shù)如表1 所示。
表1 材料參數(shù)
(2)仿真模型
采用車輛前進(jìn)坐標(biāo)系,x 軸指向車輛前進(jìn)方向,y 軸指向前進(jìn)方向的左側(cè),z 軸豎直向上。采用mm, s, t 有限元常用單位制。
整橋結(jié)構(gòu)為鑄造件,屬于實(shí)體結(jié)構(gòu),采用10 結(jié)點(diǎn)四面體單元?jiǎng)澐謱?shí)體網(wǎng)格,得到如圖5 所示的整橋結(jié)構(gòu)有限元模型。
圖5 整橋有限元模型
(3)連接定義
連接定義如表2 所示。
表2 分析說明
圖6 連接定義
約束方式為在C 型梁兩下推桿支座中心處施加約束(第1 自由度),在C 型梁空氣彈簧支座中心處施加約束(第3自由度)并在上推力桿支座中心處施加約束(第1、2 自由度)[1][2]。
(1)考慮螺栓預(yù)緊
M24 螺栓擰緊力矩750Nm,則螺栓預(yù)緊力:
(2)垂向工況
有限元模型中,在兩車輪中心處分別施加載荷(z 方向載荷)[3]。
載荷考慮2.5 倍軸荷,則左、右側(cè)載荷均為:
(3)驅(qū)動(dòng)工況
有限元模型中,在兩車輪中心處分別施加載荷(z 和x方向載荷)。
z 向載荷考慮1.5 倍額定軸荷,則左、右側(cè)載荷均為:
x 方向載荷從傳動(dòng)系和路面附著來考慮計(jì)算扭矩,比較兩者扭矩值取較小值來計(jì)算x 方向載荷。
從傳動(dòng)系考慮,額定輸出扭矩為46000Nm,傳動(dòng)系數(shù)為1.6,則:
從路面附著力計(jì)算,重量轉(zhuǎn)移系數(shù)1.4,最大驅(qū)動(dòng)縱向附著系數(shù)1.1,路面動(dòng)載系數(shù)1.5,車輪滾動(dòng)半徑0.526m。
取較小值進(jìn)行計(jì)算,則:
以改進(jìn)方案一為例,結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力云圖如圖7 所示:
圖7 螺栓預(yù)緊工況變形及應(yīng)力云圖
原始結(jié)構(gòu)及改進(jìn)方案一、改進(jìn)方案二的仿真結(jié)果對(duì)比說明如表3 所示。
圖8 垂向工況應(yīng)力云圖
圖9 驅(qū)動(dòng)工況應(yīng)力云圖
表3 仿真結(jié)果對(duì)比說明
本文基于有限元方法,采用非線性分析軟件對(duì)考慮螺栓預(yù)緊工況下的空簧壓板結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,明確了螺栓預(yù)緊力對(duì)其的影響,并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)大幅降低了壓板的最大變形。