排障器结构强度与螺栓连接强度校核.pdf

第3 2 卷第2 期2023年6 月计算机辅助工程Computer Aided EngineeringVol.32 No.2Jun.2023文章编号：10 0 6-0 8 7 1(2 0 2 3)0 2-0 0 2 1-0 5D0I:10.13340/j.cae.2023.02.005排障器结构强度与螺栓连接强度校核杨红波1，王海钧-2，王少君1-2，李孟梁1.2（1.中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南株洲412 0 0 1；2.大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室，湖南株洲412 0 0 1）摘要：为对排障器的结构静强度、疲劳强度、螺栓连接强度进行全面的安全性评估，根据排障器结构特点，建立排障器结构仿真模型，采用数值计算方法对排障器结构进行静强度、疲劳强度分析。根据排障器与车体的安装方式，提出一种适用于提取排障器螺栓工作载荷的仿真方法，采用VDI2230对螺栓强度进行校核。结果表明排障器强度满足设计要求。关键词：排障器；螺栓；结构强度；疲劳强度；连接强度；工作载荷中图分类号：U270.3；T P3 91.9Check of structure strength and bolt connectionstrength of obstacle deflectorYANG Hongbo-2,WANG Hajun2,WANG Shaojun-,LI Mengliang.*?(1.CRRC Zhuzhou Institute Co.,Ltd.,Zhuzhou 412001,Hunan,China;2.State Key Laboratory of Heavy Duty AC Drive Electric Locomotive Systems Integration,Zhuzhou 412001,Hunan,China)Abstract:In order to conduct a comprehensive safety evaluation on the structure static strength,fatiguestrength and bolt connection strength of the obstacle deflector,a detailed simulation model of the obstacledeflector structure is established according to the structural characteristics,the static strength and fatiguestrength of the obstacle deflector structure are analyzed by numerical calculation method.According to theinstallation mode of the obstacle deflector and the vehicle body,a simulation method suitable forextracting the working load of the obstacle deflector bolt is proposed.The bolt strength is checked basedon VDI 2230.The results show that the strength of obstacle deflector meet the design requirements.Key words:obstacle deflector;bolt;structure strength;fatigue strength;connection strength;working load0引 言为避免高速运行的列车直接撞击轨道障碍物造成安全事故,列车底架前端设置排障器。为满足排障器的功能要求,其尺寸应足够大，以便将轨道上的障碍物清除干净，同时排障器必须确保障碍物不会收稿日期：2 0 2 2-0 8-0 3 修回日期：2 0 2 2-11-2 1作者简介：杨红波（198 7 一），男，湖南株洲人，工程师，研究方向为轨道车辆车体结构，（E-mail)cae ;smucae 文献标志码：B向上或向下偏移-2 1。为满足上述要求，排障器自身结构应具备足够大的刚度与强度,以便具备撞击障碍物的能力 3-4。本文采用有限元法对排障器结构进行静强度与疲劳强度校核 5-6 ,疲劳算法基于DVS 1612 标准 7 螺栓连接以其结构简单、维护拆卸方便等特点http:/22被广泛应用于车辆系统，排障器通过螺栓连接于车体底架前端，排障器螺栓需要确保排障器在各种恶劣工况下不失效，在过载工况下排障器与车体有效连接，避免排障器脱落影响车辆运行安全。VDI2230螺栓计算标准在欧洲国家实践多年,得到广泛认可，本文采用VDI2230标准对排障器螺栓强度进行校核 8-91排障器结构简介排障器由排障器骨架、排障板、垂向螺栓连接件、横向螺栓连接件，防脱装置等组成。排障器骨架采用符合EN10025-3的S355材料焊接而成，通过52个M16螺栓连接于车体底架前端。排障器主体结构见图1。图1排障器主体结构2排障器螺栓工作载荷提取方法对于结构简单的螺栓，其工作载荷主要运用力的分解与平移原理，通过求解力平衡方程得到螺栓的工作载荷；对于复杂连接结构，上述方法无法有效求解螺栓的工作载荷。本文根据螺栓传力特性,采用有限元法提取排障器工作载荷。螺栓紧固后，在被连接件应力锥范围内产生弹性变形，从而形成夹紧力，应力锥尺寸满足DA.cr=dw+wl,tan PD式中:DA.cr为变形锥直径,mm;dw为螺栓头支撑平面的外径,mm;w为螺栓连接类型的连接系数;lk为夹紧长度,mm;Pp为螺栓连接的替代变形锥体角度，(）。应力锥范围外被连接件基本不产生变形,因而不产生夹紧力。在工作状态下，轴向工作载荷由螺栓承担,横向工作载荷由被连接件应力锥范围内的摩擦力承担,承受的最大静摩擦力为摩擦系数与夹紧力之积。基于所分析的螺栓连接系统在工作状态下不会出现任何的分离、张开和滑移的前提条件，根据螺栓受力特点，本文不直接建立螺栓模型，在被连接件应力锥范围内使用绑定接触模拟螺栓连接，提取应力锥范围内绑定接触面的法向载荷与切向合成载荷，作为螺栓工作中的轴向载荷与横向载荷,将上述载荷作为VDI2230螺栓强度校核的载荷输人。http:/计算机辅助工程应力锥内接触参数设置见图2。Namemaster-contact173ID157ColorElement TypeBasicBKeyOpt2valueKeyOpt4BKeyOpt10value日 KeyOpt12value图2 螺栓应力锥内接触设置为提高绑定接触收敛性，绑定接触面摩擦系数设置为0.15。连接件应力锥范围外建立面面接触，确保螺栓连接区域外连接件不产生穿透。为防止螺栓应力锥范围外接触面承担螺栓横向载荷，该接触面摩擦系数设置为0。接触参数设置见图3,排障器有限元模型见图4。Namemaster-contact173ID157ColorElement TypeBasicBKeyOpt2valueKeyOpt4BKeyOpt10valueBKeyOpt12value图3 螺栓应力锥外接触设置绑定接触面面接触(1)图4排障器有限元模型3排障器强度分析用HyperMesh软件创建排障器仿真模型，见图5。仿真模型主要由四边形与三角形的壳单元、接触单元、质量单元组成。为提高计算求解效率、节约计算验证时间,在满足结构强度评估的条件下，仿真模型网格尺寸可以适当增大。根据以往项目的静强度试验与仿真计算对比的经验，采用2 0 mm单元网格计算得到的应力结果与试验结果误差在15%以内。根据EN12663标准要求的1.15安全系数，静强度与仿真计算结果对比误差在15%以内可满足工程需求,因此，本文仿真模型选择2 0 mm的网格尺寸。cae ;smucae 2023年CONTA173口O-Augmented Lagrangian口2.-E ach iteration based on curent mean stress of undeling elements口4-No separation(always)CONTA173口O-Augmented Lagrangian口2.-E achiteration based on curent mean stesof underling elements0-Standard第2 期杨红波，等：排障器结构强度与螺栓连接强度校核23Uilization FactorUF18.90.650.430.22No resultX图5排障器仿真模型图6 静强度全局利用度云图3.1静强度分析工况为确保排障器能承受低矮障碍物（汽车、动物、岩石等）的撞击，排障器结构静强度需满足EN15227中表3 的要求。排障器结构安装于车体前端，不仅需要满足功能要求，而且要能承受车辆运营的冲击载荷。排障器需承受的静态载荷见表1。表1排障器静强度计算工况加速度工况描述1中部3 0 0 kN载荷2右侧2 50 kN载荷3左侧2 50 kN载荷4+向静态冲击3g5一x向静态冲击6+向静态冲击7-向静态冲击8+之向静态冲击9一2 向静态冲击3.2静强度评估根据EN12663标准，如果只通过计算验证，屈服强度安全系数S，取1.15,极限强度安全系数S2取1.5。静强度评估需综合考虑屈服强度与极限强度,许用应力取二者的较小值,即=minR./1.15,Rm/1.5式中：R。为屈服强度,MPa;Rm为抗拉强度,MPa。由于排障器结构采用不同强度的材质，因此引用利用度U，评估排障器强度,利用度U.=尚1为对排障器各工况结果进行高效评估，使用HyperView软件在一个应力云图下导人所有工况利用度，每个单元显示的利用度为所有工况中的最大利用度。这样就可以在一个应力云图中对全部静强度工况进行评估，提高强度评估效率。排障器全工况静强度利用度见图6，可知排障器最大利用度为0.98，满足静强度要求。cae ;smucae 3.3疲劳强度分析工况排障器通过螺栓固定于车体底架前端，因此排障器必须能承受轨道不平顺、牵引制动等引起的疲劳载荷，排障器疲劳强度计算载荷工况依据EN12663确定，考虑垂向动载荷,=（10.15)g，横向动载荷,=0.15g，纵向动载荷ax=0.15g。排障器疲劳强度计算工况见表2。表2 排障器疲劳强度计算工况x向向2向gggg3ggg-83g-8加速度工况x向1-0.15g2-0.15g3+0.15g4+0.15g5-0.15g6-0.15g7+0.15g8+0.15g3.4疲劳强度评估按DVS1612标准，结构的疲劳许用应力取决于应力比与缺口曲线，由应力比和缺口曲线可以确定材料的疲劳强度。计算每个单元各方向利用度UI、U/、U,与多轴利用度Uv,对于疲劳强度评估，(2)各向利用度应满足U(3)U,=T1Tzul式中：UI为垂直焊缝方向利用度；U为平行焊缝方向利用度；U,为焊缝剪切利用度；1为垂直焊缝方向应力,MPa;为平行焊缝方向应力，MPa;T为焊缝剪切应力,MPa;士,ul为垂直焊缝方向许用应力，MPa;u为平行焊缝方向许用应力，MPa;Tu为焊缝剪切许用应力,MPa。向z向+0.15g0.85g-0.15g0.85g+0.15g0.85g-0.15g0.85g+0.15g1.15g0.15g1.15g+0.15g1.15g-0.15g1.15g101,zul1http:/(4)24此外,各方向利用度必须按式(5)组合,并且综UV=1.1疲劳强度利用度应满足U,=max(UI,U,U)1排障器疲劳强度利用度见图7,可知排障器疲劳强度的最大利用度约为0.0 13，满足疲劳强度要求。Uilization Factor UF0.00890.00590.0030Noresult图7 排障器疲劳强度利用度4排障器螺栓连接强度分析根据螺栓工作载荷的提取方法，获得排障器螺栓在静强度工况下的最大横向工作载荷F,mx=2356N,最大轴向工作载荷FA,max=3666N。根据得到的螺栓工作载荷,按照VDI2230步骤对螺栓进行安全性评估。(1)需要的最小紧固力。为防止被夹紧件在横向工作载荷作用下产生滑移，螺栓的最小紧固力应确保被连接件产生的最大摩擦力大于螺栓的横向工作载荷，即Fker Fko式中：Fker为所需的最小夹紧力,N;Fko为通过摩擦力提供的横向力,N;Fr,max为横向载荷,N;qr为连接面个数;uT,min为连接面最小摩擦系数。(2)螺栓工作所需要的最小预紧力。螺栓横向工作载荷由螺栓预紧力在连接界面处产生的摩擦力承担,螺栓最小预紧力不仅需满足横向工作载荷,而且需要满足轴向工作载荷对预紧力的损耗,螺栓所需最小预紧力(8)式中:FM,min为所需的最小安装夹紧力,N;FA,max为最大轴向载荷,N;Fz为嵌人产生的预紧力损失,N;n为载荷系数，,=nk=6.+8.0.08式中：k为通过螺栓与螺母承载区域的载荷系数;n为载荷导入系数；，为被夹紧件回弹系数；为螺http:/计算机辅助工程合利用度U应不大于1，即zuI/,zul栓回弹系数。(6)8,=0sk+8,+.+8cew+8cM=1.8710-mm/N(dw+d,)(dw+wlktan b-d,)21n(dw-d,)(dw+wlktan +dh)wEpTd.tan 0.67 10-mm/N式中：8 sk为螺栓头部弹性系数;8 1为第1个截面弹性系数;8 cew为未旋人螺纹弹性系数;8 cM为旋人螺纹弹性系数;dw为螺栓头支承平面直径；d为被夹紧件孔径;w为螺栓连接类型连接系数；E，为被夹紧件弹性模量。预紧力损耗由螺栓安装界面、螺栓头与安装面及螺纹之间产生的嵌人引起。根据VDI2230的表5可知,螺纹产生3 m嵌人量，螺栓头、螺母支承分别产生4.5m嵌入量，分界面产生2.5m嵌人量，故总嵌入量fz=0.049mm，预紧力损失Fz=Jz0,+8:19285N式中:fz为嵌人量,mm。取拧紧系数A=1.8,因此螺栓安装的最大预紧力F M.mx=aAFM.mm=69 061 NFT,max=15 708 NqruT,min2023年1.0(5)01,zul(10)(11)1(12)(13)(7)(3)最大工作负荷。在最大轴向工作载荷下，螺栓的最大轴向载荷(14)式中：FM.ul为允许的安装预紧力,N;FA.max为最大轴向工作载荷,N。(4)最大拉伸应力0z,mx=Fsmax/A,=719 MPa式中：A.为应力横截面，mm。(5）最大扭转应力Tmax=Mc/Wpd2(Mc=FM,ll2P+1.155c,min)2131 397.8 N mmdd2+d3W=553.1 mm31616(9)式中:d为螺纹中径,mm;d，为螺纹小径,mm;P为螺距,mm;ds为应力界面直径，mm;uc,min为螺纹最小摩擦系数。cae ;smucae (15)(16)(17)2(18)第2 期因此，螺栓剪切应力Tmax=237.6 MPa根据VDI2230公式R8/4及减少系数K,=0.5,计算工作应力m +3(h,m)=748 MPa(（2 0)式中：zmx为最大轴向应力,N。螺栓的屈服强度为9 40 MPa,因此最大工作载荷下螺栓的最小安全系数S,=R/red,B=1.26 1(6)交变载荷。由于同心加载及紧固,螺栓的连续交变载荷FsAo-FsAMd,(FA.mx-FA.mm)aa=2A0.93 MPa式中：FsA。为螺栓最大轴向载荷,N;FsAu为螺栓最小轴向载荷,N;FA,max为最大轴向工作载荷,N;FA,min为最小轴向工作载荷,N。热处理前滚制的螺栓耐疲劳极限(150O Asv=0.85+45)=46 MPa(23)d由于 1通过上述计算可知，排障器的螺栓连接满足2A,VDI2230标准要求。(22)5结束语根据EN12663与EN15227标准，定义排障器结构静强度与疲劳强度工况，给出排障器强度评估方法,并进行静强度与疲劳强度评估。基于 Ansys仿真平台，对排障器进行全工况的静强度与疲劳强度评估，并提出一种排障器螺栓工作载荷提取方法。依据VDI2230对螺栓进行安全性强度评估,表明该排障器结构静强度、疲劳强度、螺栓连接强度满足设计要求。25Ap.min=A+(d-d.）=2 17 3 mm(24)4在安装状态下的表面压力FMml=51.8 MPaPM,max(25)(26)(编辑陈锋杰)cae ;smucae http:/