李成濤

【摘要】基于EN12663-2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的載荷工況同時考慮螺栓預(yù)緊力的作用，對某動車組車下制動模塊框架及螺栓進行靜強度的非線性有限元分析，提取各計算工況的接觸面上的摩擦力和接觸壓力并計算抗滑性比例系數(shù)，實現(xiàn)螺栓接觸面的抗滑性分析，為發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的薄弱位置、優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)提供一定參考價值。

【關(guān)鍵詞】動車組；靜強度；非線性；抗滑性

1、引言

隨著動車組運行速度的不斷提高，動車組車下吊裝設(shè)備框架及聯(lián)接螺栓承受的載荷越來越復(fù)雜，動車組車下吊裝設(shè)備的安全性、可靠性越來越受到人們的關(guān)注。目前動車組車下吊裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計往往憑借設(shè)計師的經(jīng)驗和參考國內(nèi)外類似的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計初期采用有限元仿真的方法，對車下吊裝設(shè)備框架結(jié)構(gòu)及螺栓進行靜強度仿真分析，指出設(shè)計中的薄弱位置，預(yù)防強度失效事故的發(fā)生，這對于動車組的設(shè)計、制造、檢修具有重要意義。本文以某動車組車下制動模塊為研究對象，基于EN12663-2010標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的載荷工況，同時考慮螺栓預(yù)緊力的作用，對制動模塊框架及螺栓進行接觸非線性有限元分析，提取各工況接觸面上的摩擦力和接觸壓力并計算抗滑性比例系數(shù)，實現(xiàn)螺栓接觸面的抗滑性分析。

2、接觸非線性分析技術(shù)

兩個物體的接觸基本分為剛體—柔體的接觸、柔體—柔體的接觸。接觸分析在有限元模型中是通過接觸單元來實現(xiàn)的，常見的接觸單元有面—面接觸單元、點—面接觸單元、三維線—線接觸單元、線—面接觸、點—點接觸單元[1]。本文中對車下制動模塊框架及聯(lián)接螺栓的非線性有限元分析采用的是面—面接觸單元，分析的主要流程為：①劃分網(wǎng)格，建立有限元模型；②定義contact面和target面；③定義/控制目標(biāo)面的運動；④邊界條件設(shè)定；⑤定義求解參數(shù)及載荷步；⑥計算求解。接觸問題的求解是一個不斷迭代直至收斂的過程，在此過程中需要調(diào)整一系列的參數(shù)，如法向罰剛度因子、穿透容差因子、接觸面行為（粗糙、綁定等）、接觸算法（罰函數(shù)法、增強的拉格朗日方法、MPC算法等），通過這些參數(shù)的調(diào)整在預(yù)緊力工況下得到結(jié)構(gòu)的合理的變形、均勻的應(yīng)力分布，從而進行其它工況的求解。

3、有限元模型的建立

某動車組車下制動模塊總重為132.6kg。制動模塊包含M8螺栓12個，M20螺栓12個，材質(zhì)分別為A4-70，8.8級。在有限元建模過程中，將吊裝部件離散為任意六面體solid185單元，風(fēng)缸質(zhì)量用mass單元模擬，螺栓及其聯(lián)接部件定義接觸關(guān)系，模型總計315124個單元，341088個節(jié)點，定義了84個接觸對。在底架兩個端部約束三個方向的線位移。建立的有限元模型如圖1所示。

（a）安裝吊座 （b）整體視圖

圖1 車下制動模塊有限元模型

4、接觸非線性分析的計算工況

根據(jù)《BSEN12663-1：2010鐵路應(yīng)用鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求》，動車組車下制動模塊安裝屬于P-Ⅲ類設(shè)備安裝，靜強度分析載荷工況見表1所示。[2]

制動模塊中M20螺栓預(yù)緊力矩275N-M，M8螺栓預(yù)緊力矩18.9N-M，依據(jù)文獻[3]，預(yù)緊力Qp與預(yù)緊力矩T關(guān)系為： （公式1）式中：d為螺栓公稱直徑。

5、接觸非線性分析結(jié)果

在表1中9種計算工況作用下，制動模塊的接觸非線性分析結(jié)果如表2所示。從表中看出螺栓和與螺栓直接連接的部件在預(yù)緊力工況和8種工作載荷下最大von.mises應(yīng)力相差不大，工作載荷對于螺栓的受力影響較小，預(yù)緊力起主要作用。第4工況作用下個主要部件的最大von.mises應(yīng)力見圖2所示。

6、螺栓抗滑性分析

首先通過ANSYS軟件提取接觸面上的摩擦力f及接觸壓力Fn，抗滑性比例系數(shù)t可由公式2求得： （公式2）

此次螺栓接觸面滑動情況分析是假設(shè)摩擦系數(shù)u為0.15。抗滑性比例系數(shù)越小，表明設(shè)計的結(jié)構(gòu)抗滑性越好，安全性越高。下表3僅列出抗滑性比例系數(shù)大于0.04的接觸位置數(shù)據(jù).

7、結(jié)論

通過對某動車組車下制動模塊框架及聯(lián)接螺栓的非線性有限元分析，驗證其強度是否滿足設(shè)計要求。仿真計算結(jié)果表明：基于EN12663規(guī)定的載荷工況，框架模塊及螺栓的設(shè)計滿足強度要求；對接觸面進行抗滑性分析，比例系數(shù)小于0.05，抗滑性能良好。

參考文獻

[1]張紅松等.ANSYS12.0有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2]British Standard Institute（BSI）.BS EN12663-1：2010 Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies（Part 1：Locomotives and passenger rolling stock）[S].BSI，2010

[3]王文斌.機械設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.