初探在高應(yīng)力區(qū)孔對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響

何錦成

（韶關(guān)市湞江區(qū)有色金屬加工廠 廣東韶關(guān) 512000）

初探在高應(yīng)力區(qū)孔對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響

何錦成

（韶關(guān)市湞江區(qū)有色金屬加工廠 廣東韶關(guān) 512000）

本文對(duì)在高應(yīng)力區(qū)域的孔的受力情況進(jìn)行分析，并簡述其對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響。并以我公司的具體事例加以說明。

鉆孔是指用鉆頭在實(shí)體材料上加工出孔的操作，在日常的機(jī)械連接中十分常見。例如冷鉚，螺栓連接等都必須鉆孔，在一些焊接無法使用的狀況下其重要性更是無法替代。例如汽車大梁與一些附件（車橋，油箱，發(fā)動(dòng)機(jī)等）的聯(lián)接。汽車大梁不允許焊接主要有以下兩大個(gè)原因：

（1）大氣中的氮、水蒸汽等進(jìn)入熔池，還會(huì)在隨后冷卻過程中在焊縫中形成氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，惡化焊縫的質(zhì)量和性能。在現(xiàn)實(shí)中我們發(fā)現(xiàn)汽車大梁容易變硬變脆。

（2）焊接是一個(gè)局部的迅速加熱和冷卻過程，焊接區(qū)由于受到四周工件本體的拘束而不能自由膨脹和收縮，冷卻后在焊件中便產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形

汽車尤其是載貨汽車，其在負(fù)載大，高震動(dòng)，及其復(fù)雜的受力情況下運(yùn)行。汽車大梁如果焊接了，出現(xiàn)的問題幾率就會(huì)十分大。因此所有的底盤廠家都有明文禁止汽車大梁焊接。因此在汽車大梁上鉆孔就是一個(gè)不可替代的連接方式。也是目前運(yùn)用最多的方式。但是在某些區(qū)域不當(dāng)鉆孔，卻會(huì)引起致命的破壞

事故描述：

起重機(jī)在初期作業(yè)起吊時(shí)一切正常。當(dāng)貨物旋轉(zhuǎn)并放入車廂時(shí)汽車大梁突然斷裂，從圖片可見，大梁從中間攔腰折斷，斷裂處為起重機(jī)和汽車車廂的中間。斷口從下面汽車第二橋板簧座下開始撕裂，撕裂口整齊幾乎成一直線。上部分無斷裂，出現(xiàn)擠壓的現(xiàn)象。，這種狀況應(yīng)該是屬于極為嚴(yán)重的事故。在事故中幸好未出現(xiàn)人員受傷的情況。

密集的螺栓在吊機(jī)碼機(jī)螺栓附近，而且汽車第二橋的板簧座也在附近。在密集的高應(yīng)用區(qū)這些孔會(huì)有那些影響。我們現(xiàn)在先討論孔的受力問題。

汽車大梁孔的受力情況，我們視同銷軸過渡配合的銷軸拉板，銷孔的孔壁上承受正弦分布的載荷。

在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算危險(xiǎn)截面A-A的拉應(yīng)力和上半圓的擠壓應(yīng)力：

我們可以初步計(jì)算出我們汽車大梁的單個(gè)孔的受力情況。在高應(yīng)力區(qū)域這些數(shù)值將會(huì)得到放大。

明顯無論帶入什么值，以上公式的計(jì)算值均在安全范圍之內(nèi)。那汽車大梁為何會(huì)斷裂呢？我們對(duì)照了同一公告型號(hào)車底盤上的相同位置。有了新的發(fā)現(xiàn)，就是此處孔位十分密集，第一二排孔位是大梁與橫梁聯(lián)接固定螺栓孔，整齊劃一，上下，左右，孔的中心間距只有50mm。下面有3個(gè)板簧座的固定孔。而且在大梁下翼面也有兩個(gè)螺栓孔，用于第二橋的板簧與大梁的固定。而中間的那個(gè)大的孔則是排氣管傳感器的過線孔。而悄悄這些孔是成直線分布。由上面的分析可知，大梁上孔的危險(xiǎn)截面A，幾乎是重疊在一直線上。這就要求此處的材料剛性，強(qiáng)度，以及整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要非常好。不然由起重機(jī)產(chǎn)生300kN的力（作用在12mm寬的截面上）極容易造成失效。

對(duì)于多孔在大梁上的受力情況。我們避免了繁瑣的計(jì)算，使用計(jì)算機(jī)的有限元分析。我們首先按真實(shí)比例繪制了汽車大梁圖形，在圖形中加載載荷，讓計(jì)算機(jī)算出我們大梁的應(yīng)力分布情況。其具體數(shù)學(xué)模型為簡支梁上加載負(fù)載，簡支梁截面為大梁截面，包含主支腿外各條橋的板簧座為支點(diǎn)，承受反力。

吊機(jī)工作時(shí)板簧座子處的承受了比較大的應(yīng)力。而在各個(gè)孔所受應(yīng)力的區(qū)域中，右側(cè)幾個(gè)孔的高應(yīng)力區(qū)域在一定程度上聯(lián)接起來了，形成線狀分布，出現(xiàn)了類似裂紋的形狀。我們再看看現(xiàn)實(shí)的狀況，斷裂的地方和模擬的情況基本一致。也就是說這次的事故是由這幾個(gè)連續(xù)的孔開到高應(yīng)力區(qū)造成失效而發(fā)生的。在高應(yīng)力集中區(qū)域開孔時(shí)間比較危險(xiǎn)的事尤其不能加工連續(xù)密集的孔。

我們在高應(yīng)力區(qū)域應(yīng)該如何做呢？

（1）盡量將應(yīng)力分散，不要造成應(yīng)力的集中，但現(xiàn)實(shí)情況往往是在有限的空間內(nèi)要完成這樣那樣的功能要求。還要完成借助各種結(jié)構(gòu)將應(yīng)力分散到各個(gè)面，這種工作有時(shí)候是不太可能實(shí)現(xiàn)的。而在不可焊接的情況下也不開孔的話，對(duì)技術(shù)人員的要求會(huì)十分苛刻，也是不切實(shí)際的。在汽車大梁上鉆孔也變得不可代替了。

（2）一些可有可無的孔，應(yīng)盡量避免開。因?yàn)橐婚_孔，就已經(jīng)局部減弱了材料截面的強(qiáng)度。可以使用其他的方式完成。例如本事故中的大量中間的穿線大孔可以不用開。讓傳感器的線路從大梁的底下穿越。既可避免開孔也方便安裝。唯一的缺陷就是不太美觀，但這不是魚和熊掌的取舍。選擇安全可靠是永恒不變的前提，提美觀其次。這樣就可減少大梁上孔的大小和數(shù)量。

（3）在高應(yīng)力的區(qū)域上開孔，應(yīng)當(dāng)避免孔的密集程度和排列方式。圖1是底盤廠商給出的鉆孔標(biāo)準(zhǔn)最小孔距要求。

圖1

很明顯這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在高應(yīng)力的區(qū)域中有待討論。我個(gè)人卻認(rèn)為這個(gè)并不適用。因?yàn)槲覀兊氖鹿受囕v的孔就是按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的。筆者覺得這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該更有彈性：

（1）橫向距離應(yīng)該適當(dāng)擴(kuò)大，避免橫向聚集。

（2）縱向不應(yīng)開孔超過三個(gè)，對(duì)開孔的孔徑也應(yīng)有嚴(yán)格要求，最大不應(yīng)該超過φ17。且盡量不按垂直于力的方向豎直排列。

（3）最上（下）方的孔距離上（下）翼面的距離不應(yīng)小于55。避免破壞折彎角度處的強(qiáng)度。

（4）所鉆孔的表面粗糙度應(yīng)該盡可能高，不能出現(xiàn)微小的裂紋。如果產(chǎn)生微小裂紋孔就在受力的情況下極有可能在裂紋處加速撕裂，容易破壞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

[1]王金諾.起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

[2]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2005.

TU375

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1004-7344（2016）17-0297-01

2016-6-2