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螺栓結(jié)構(gòu)作為一種可靠的、實(shí)用的連接方式，廣泛運(yùn)用于各種機(jī)械產(chǎn)品中。隨著對連接結(jié)構(gòu)的要求不斷提高，螺栓連接的承載情況變得更加復(fù)雜。以軌道車輛為例，由于高速、重載、輕量化的不斷發(fā)展，其結(jié)構(gòu)在疲勞強(qiáng)度分析方面面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，由于疲勞等原因造成失效和破壞的情況也時有發(fā)生，給安全生產(chǎn)和運(yùn)營帶來很大風(fēng)險。
螺栓結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞的形式很多，其中螺栓孔孔邊出現(xiàn)疲勞裂紋的情況是較為常見的一種。然而，螺栓孔孔邊的受力的測量受到螺栓頭、螺帽等零件的諸多限制，難以直接得到螺栓結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況。研究針對某軌道車輛螺栓結(jié)構(gòu)的螺栓孔孔邊應(yīng)力情況進(jìn)行分析，提出了一種評估螺栓孔孔邊應(yīng)力的方法。同時，通過有限元分析計算與實(shí)際線路試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對比分析，并對結(jié)構(gòu)的改善提出了建議。
以某軌道車輛閥座螺栓結(jié)構(gòu)為例，圖中所示的螺栓孔孔邊區(qū)域多次出現(xiàn)裂紋。現(xiàn)有的測量方法主要是利用應(yīng)變片測量孔邊的應(yīng)力情況，包括動應(yīng)力、加速度和測點(diǎn)頻譜。通過上述數(shù)據(jù)得到應(yīng)力譜和等效應(yīng)力，并對螺栓孔孔邊區(qū)域進(jìn)行安全可靠性評估。這種方法是進(jìn)行疲勞強(qiáng)度測試的通用方法，易于操作，方便對結(jié)構(gòu)做出評價。但是，由于螺栓孔邊區(qū)域被螺母或螺栓孔覆蓋，難以得到孔邊的應(yīng)力情況。
為了探索螺栓孔孔邊應(yīng)力的基本情況，建立了有限元模型并進(jìn)行計算。在此基礎(chǔ)上尋找螺栓孔孔邊位置應(yīng)力分布與便于測量位置的應(yīng)力情況的關(guān)系，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該關(guān)系的正確性。有限元模型的建立根據(jù)該閥座螺栓結(jié)構(gòu)的設(shè)計文件建立了有限元模型，使用Hypermesh完成了網(wǎng)格劃分以及相互關(guān)系隊載荷和邊界條件的施加，通過ANSYS完成了有限元計算高度閥螺栓結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖所示。
為了對螺栓以及孔周邊區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的分析，將網(wǎng)格的劃分形式調(diào)整為以螺栓孔為幾何中心的多層放射形狀的、具有中間節(jié)點(diǎn)的六面體單元。同理，對螺栓本身，即螺桿、螺栓頭和螺母部分，進(jìn)行了相同形式的劃分，并且在位于接觸面的節(jié)點(diǎn)的處理上與螺栓孔孔邊單元的節(jié)點(diǎn)完全重合，為之后創(chuàng)建接觸對，為進(jìn)行預(yù)緊力分析提供較好的基礎(chǔ)。
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