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        基于美國標(biāo)準(zhǔn)的車上螺栓連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估

        2021-07-28 00:56:56鄒慶薇王劍
        關(guān)鍵詞:客室校核座椅

        鄒慶薇,王劍

        (大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院,遼寧 大連 116028) *

        隨著科技發(fā)展越來越迅速,軌道車輛在人們快捷出行方面扮演著越來越重要的角色,對(duì)軌道車輛相關(guān)結(jié)構(gòu)、部件的安全要求也越來越高.

        軌道車輛內(nèi)部很多結(jié)構(gòu)依靠螺栓連接,這些螺栓在工作環(huán)境中承受拉、剪載荷,如何評(píng)定這些螺栓連接的強(qiáng)度一直是安全分析的熱點(diǎn).在不同領(lǐng)域、不同結(jié)構(gòu)中,已有了很多類似分析,李樹棟[1]以軌道車輛車鉤連接螺栓為研究對(duì)象,建立了接觸非線性有限元模型,進(jìn)行彈塑性及接觸非線性分析,得到了車鉤螺栓強(qiáng)度與預(yù)緊力、連接部件之間的關(guān)系.姚星宇[2]研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓連接載荷、結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)連接剛度的影響,推導(dǎo)了復(fù)雜螺栓連接結(jié)構(gòu)的連接剛度理論表達(dá)式.漆瑾、李成濤等人[3-8]對(duì)不同車輛連接螺栓進(jìn)行了強(qiáng)度分析,解決了實(shí)際應(yīng)用中的一些問題.高吉娥[9]針對(duì)歐洲標(biāo)準(zhǔn),基于ANSYS平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā),為螺栓強(qiáng)度評(píng)估提供了使用工具.

        在面向美國客戶時(shí),產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求使用美國相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),前述研究工作中,針對(duì)美國標(biāo)準(zhǔn)的螺栓強(qiáng)度校核還相對(duì)較少,如何適應(yīng)美國客戶要求,遵循美國標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行螺栓連接設(shè)計(jì),是一項(xiàng)亟待解決的問題.本文針對(duì)軌道車輛的客室折疊座椅螺栓連接結(jié)構(gòu),利用美國標(biāo)準(zhǔn)對(duì)座椅連接螺栓進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估,形成了一套適合美國標(biāo)準(zhǔn)的分析流程.

        1 螺栓強(qiáng)度校核原理

        AISC是美國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)(American Institute of Steel Construction)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)連接頒布的一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[10],規(guī)范對(duì)螺栓的選用、預(yù)緊力施加、強(qiáng)度校核做了詳細(xì)規(guī)定[11].對(duì)承受拉、剪作用的高強(qiáng)度螺栓,以Rn為螺栓的標(biāo)準(zhǔn)抗力值,可以表述為如下表達(dá)式:

        Rn=Fn×Ab

        (1)

        式中,Ab為螺栓公稱直徑的截面積,F(xiàn)n為螺栓承載極限.對(duì)抗拉載荷情況,包含連接件產(chǎn)生的彎曲效應(yīng),表述為Fnt;對(duì)抗剪切情況,表述為Fnv.Fnt螺栓抗拉強(qiáng)度和Fnv抗剪強(qiáng)度可以查詢美國鋼結(jié)構(gòu)材料標(biāo)準(zhǔn)ASTM,標(biāo)準(zhǔn)中Fnt和Fnv由螺栓極限抗拉強(qiáng)度Fu考慮安全利用因子給定.AISC鋼結(jié)構(gòu)荷載抗力系數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范分別就不同結(jié)構(gòu)部件形式,給出了相應(yīng)強(qiáng)度極限和安全利用因子為0.75時(shí)的設(shè)計(jì)參考值,如表1所示,在實(shí)際工程中,安全因子(φ)可以擴(kuò)大為1.

        (2)

        (3)

        (4)

        (5)

        當(dāng)外部荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力均大于螺栓可提供對(duì)應(yīng)強(qiáng)度的30%時(shí),必須利用式(4)和(5)對(duì)螺栓進(jìn)行二次校核,否則可以認(rèn)為螺栓滿足要求.

        表1 美國規(guī)范對(duì)高強(qiáng)度螺栓強(qiáng)度值規(guī)定 MPa

        2 螺栓強(qiáng)度評(píng)估流程

        根據(jù)上述原理,可以把基于美國標(biāo)準(zhǔn)的螺栓強(qiáng)度評(píng)估流程歸納整理如下:

        (1)依據(jù)ASTM F593標(biāo)準(zhǔn),確定螺栓強(qiáng)度等級(jí);

        (2)依據(jù)表1和螺栓參數(shù),考慮安全利用因子,確定螺栓評(píng)估拉伸強(qiáng)度極限和剪切強(qiáng)度極限;

        (3)進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析,提取螺栓內(nèi)力;

        (4)利用拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度對(duì)螺栓進(jìn)行一次評(píng)估,對(duì)拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力均超過相應(yīng)強(qiáng)度極限30%的螺栓,利用式(4)和(5)進(jìn)行二次評(píng)估.

        3 螺栓強(qiáng)度評(píng)估實(shí)例

        基于上述原理和流程,以出口國外點(diǎn)焊車為研究對(duì)象,基于美國標(biāo)準(zhǔn)對(duì)某車上客室折疊四人折疊連接螺栓進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估.

        客室折疊座椅的重要連接骨架均采用不銹鋼材料,為了保證四人折疊座椅有限元模型分析的準(zhǔn)確性以及安裝的合理性,建模過程中,基于子模型思想,切割部分整車模型,引入相應(yīng)邊界條件參與計(jì)算,客室四人折疊座椅的有限元模型采用以任意四節(jié)點(diǎn)薄殼單元為主,三節(jié)點(diǎn)薄殼單元為輔來模擬.螺栓部位用CE與Beam梁來模擬,整體座椅模型與螺栓局部模型,如圖1所示.

        (a) 座椅

        (b) 螺栓圖1 客室四人折疊座椅與螺栓有限元模型

        通過查表,確定四人折疊座椅的螺栓材料為ASTM F593C,螺栓直徑為9.5 mm,其極限抗拉強(qiáng)度為689MPa.四人折疊座椅中的螺栓剪切面內(nèi)無螺紋,螺栓長度L=952.5 mm<965mm,因此,拉伸強(qiáng)度系數(shù)為0.75,剪切強(qiáng)度系數(shù)為0.45.實(shí)際工程應(yīng)用,確定安全利用因子為1,因此根據(jù)表1確定該螺栓的拉伸極限為Fnt=689×0.75=517MPa,剪切極限為Fnv=689×0.45=310MPa. 參照美國APTA標(biāo)準(zhǔn),設(shè)置有限元分析工況,如表2所示,g表示重力加速度,取9.81 m/s2.考慮材料塑性變形,基于雙線性材料模型,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行材料、幾何非線性有限元分析,得到強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果.原設(shè)計(jì)座椅靠背直接連接側(cè)墻,結(jié)構(gòu)簡單,安裝便捷,但強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果不滿足要求.于是改進(jìn)結(jié)構(gòu),椅背后方添加C型梁, 用以提高座椅穩(wěn)定性.同時(shí),為了降低結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中螺栓所受到的力,確保螺栓安全,在座椅骨架連接螺栓上焊接了承載套筒,如圖2~圖5所示.

        表2 客室座椅強(qiáng)度分析工況

        圖2 原始設(shè)計(jì)方案

        圖3 添加C型連接梁方案

        圖4 原始設(shè)計(jì)方案

        圖5 添加螺栓套筒方案

        兩種結(jié)構(gòu)均滿足整體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度要求,提取危險(xiǎn)位置螺栓內(nèi)力,依據(jù)第2、3部分評(píng)估流程,對(duì)螺栓進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估,選取出現(xiàn)最大內(nèi)力的工況進(jìn)行評(píng)估,螺栓內(nèi)力如表3、表4所示.

        表3 原始設(shè)計(jì)中螺栓內(nèi)力 N

        表4 更改設(shè)計(jì)中螺栓內(nèi)力 N

        對(duì)原始結(jié)構(gòu),工況3下編號(hào)2的螺栓峰值軸向拉力和峰值剪切力合力最大,進(jìn)行強(qiáng)度校核,代入螺栓直徑,得到螺栓工作應(yīng)力:

        (1)計(jì)算9.5 mm直徑螺栓的公稱面積:

        (2)螺栓最大工作拉應(yīng)力:

        該拉應(yīng)力是517 MPa許用拉伸強(qiáng)度的87.3%;

        (3)最大剪應(yīng)力:

        最大剪應(yīng)力是許用剪切強(qiáng)度310 MPa的38%.

        通過以上的分析,該螺栓的拉應(yīng)力與剪切應(yīng)力均大于其各自拉應(yīng)力的許用值的30%,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求,需要對(duì)該螺栓繼續(xù)使用修正公式進(jìn)行進(jìn)一步校核.

        (4)修正后的螺栓拉應(yīng)力結(jié)果:

        (5)修正后的螺栓剪切應(yīng)力結(jié)果:

        公式校核計(jì)算出來的螺栓軸力值小于517MPa,剪力值為349 MPa大于310 MPa,結(jié)果顯示,該螺栓的剪力不合格.

        對(duì)修改后的結(jié)構(gòu),從表4中提取相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,最危險(xiǎn)螺栓同樣為2號(hào)螺栓,計(jì)算得到軸向應(yīng)力為123 MPa,剪切應(yīng)力為30 MPa,軸向應(yīng)力和剪切應(yīng)力均小于相應(yīng)材料的30%,不需要進(jìn)一步校核,螺栓滿足強(qiáng)度要求.

        上述計(jì)算結(jié)果顯示,原始設(shè)計(jì)中,部分螺栓不能滿足結(jié)構(gòu)要求,改進(jìn)結(jié)構(gòu)后,增強(qiáng)了座椅靠背支撐,螺栓采用套筒形式,大大降低了螺栓所受載荷,螺栓在危險(xiǎn)工況下滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求

        4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        基于改進(jìn)結(jié)構(gòu),對(duì)座椅進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)截取了部分座椅進(jìn)行沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖6、圖7所示.

        圖6 實(shí)驗(yàn)中座椅結(jié)構(gòu)

        圖7 座椅連接位置

        表5 螺栓計(jì)算軸力與測試軸力對(duì)比 N

        基于超聲波檢測方法測量螺栓軸力,用以驗(yàn)證仿真分析結(jié)果, 實(shí)驗(yàn)中提取相應(yīng)工況、相應(yīng)螺栓的數(shù)據(jù)如表5所示.提取的軸力數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)基本吻合,最大誤差不足10%.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)既校核了螺栓滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),又檢驗(yàn)了仿真模型計(jì)算精度.

        5 結(jié)論

        本文工作研究了基于美國標(biāo)準(zhǔn)AISC的螺栓強(qiáng)度校核原理,歸納總結(jié)了基于美國標(biāo)準(zhǔn)的螺栓強(qiáng)度校核步驟,將美國AISC標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到了鐵路車輛車上螺栓連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評(píng)估中,評(píng)估了座椅連接螺栓的安全性.研究結(jié)果可以為出口美國的機(jī)車車輛校核所借鑒,為車體連接件設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù).

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