基于有限元分析的某重型車橋空簧壓板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄭小艷

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

引言

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。

1 計(jì)算模型建立

1.1 方案結(jié)構(gòu)說明

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

1.2 仿真模型建立

（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

1.3 計(jì)算工況說明

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：

2 仿真結(jié)果對(duì)比說明

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

3 結(jié)論

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。