高速列车铝合金车体中铆钉和螺栓联接结构的强度分析

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要：铆钉和螺栓联接结构是铝合金车体中不同金属之间及铝合金之间联接的重要方式。 通过铝合金
车体强度计算实例， 介绍了使用耦合和约束方程建立铆钉和螺栓联接结构有限元模型的方法， 提出了铆钉和 螺栓联接结构强度的验收标准， 以及对铆钉和螺栓联接结构计算结果进行分析的方法。 关键词：铝合金车体；铆钉联接；螺栓联接；耦合和约束方程；强度 中图分类号： C4A7:4 文献标识码： D 文章编号： （4778） @A54>@@?5 76>77@A>7B
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高速列车车体材料包括铝合金和钢，铝合金材料的机 械特性随着合金成分的不同和母材厚度的不同而有所 变化， 具体的机械特性见表 ! 。
表!
材料 铝合金 %<<9G6% 铝合金 %<"$ 6% 钢 !%E* 钢 C9<<E(
不同材料的机械特性
最小屈服应力 !D 8 EF母材 焊缝
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第 45 卷 第 6 期 4778 年 9 月 47 日
电力机车与城轨车辆
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高速列车铝合金车体中铆钉和螺栓 联接结构的强度分析
肖守讷， 贾 宇
（西南交通大学 机车车辆研究所，四川 成都 摘
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铆钉和螺栓随着额定直径的不同，机械特性也有 所不同，同时考虑到铆钉和螺栓联接在车体中的承载 主要是轴向拉伸和径向剪切，因此铆钉和螺栓的机械
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电力机车与城轨车辆・ !(() 年第 + 期
特性可表示为表 ! 。
表!
额定直径 " ##
式中： ! = — 螺栓的最小屈服应力； 9!— 螺钉螺纹部分 的受力面积； "=F— 螺栓的轴向材料因数。 滑动阻力的计算公式为： ・ / :.42 7 / G H1 I# " "=: 其中， 在单向剪切情况下：
铆钉和螺栓联接结构的验收标准 铆钉的验收标准 计算的载荷必须满足轴向拉伸和剪切承受力的容
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式中：/>.G2 — 预应力载荷；# — 滑动摩擦 系 数 ；I — 摩擦界面数； H1 — 几何因数；" = : — 螺栓的切向材料 因数。 以 “司机室 和 侧 墙 上 梁 的 螺 栓 联 接 ” 为例， 螺栓的 最小屈服应力为 *++ =>; ，螺钉螺纹部分的受力面积 为 !)).- ##!， 材料因数为 %.% ， 经计算可得出该螺栓的 预应力载荷为 -- !(( $， 轴向拉伸容许力为 ,% %(* $， 滑动摩擦系数为 (.* ， 摩擦界面数为 % ， 几何因数为 % ， 经计算可得出该螺栓的滑动阻力为 !) (++ $ 。其它位 置的螺栓联接容许力的计算方法相同。
7C A/!$%%’： $<<< 《铁道应用—— 轨道车身的结构要
《 铝结构应用—— 第一部分： 设计实施惯 求》 和 7C"!!" 例》 等标准， 确定铝合金车体结构的 " 个计算工况分别 为： 垂直静载、 垂直动载、 起动牵引、 运行牵引、 纵向压 缩、 纵向拉伸、 整车起吊以及组合冲击工况。每种工况 下的边界条件都因强度考核目的的不同而不同。铆钉 和螺栓联接结构作为车体结构的一部分，在这 " 个工 况中同样受到不同载荷的作用。
列车轻量化是高速列车发展的重要条件，因而减 轻机车车辆承载结构的质量即车体轻量化研究成为高 速列车车体结构设计的一个重要方向。目前国内外实 现车体轻量化的主要方式之一是采用铝合金材料。在 铝合金车体结构设计中， 车体主要承载部件 （如底架、 侧墙、 车顶、 端墙等） 一般采用大型中空截面挤压型材， 整车结构由这些型材焊接、 铆接或螺栓联接而成。 由于 铝合金焊接中存在焊接处母材强度降低、 焊接缺陷、 变 形、 残余应力等问题， 为了体现铝合金和钢材的各自优 点， 构成车体时需要采用两种不同的金属。 在两种不同 金属间进行焊接时， 焊接难度大， 焊接质量难以保证， 因此铆钉或螺栓联接成为此处结构联接的重要方式。
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式中： " # — 铆钉联接装置的材料因数； 28 — 铆钉的额 定直径；! — 材料的最小屈服应力；0 — 联接材料中 较薄的厚度。 铆钉的轴向拉伸容许力的计算公式为：
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铆钉和螺栓联接结构的计算结果分析
根据不同计算工况的边界条件，对车体结构有限
元模型施加载荷和约束进行计算，得到不同计算工况 下车体的应力应变分布。由于有限元的计算结果是应 力应变，对车体强度的分析也是基于其最大应力值是 否超过车体材料的许用应力，而对铆钉和螺栓联接结 构的验收标准是基于计算的轴向拉伸和剪切力是否超 过容许值，因此对铆钉和螺栓联接结构的计算结果分 析需要使用不同的方法。 列出反作用载荷及 在 9$1J1 的通用后处理器中， 作用载荷一般是用来检查模型的平衡状况，即在给定 方向上所加的作用力应该等于该方向上的反力，从而 确定加载是否恰当。 但同样可以使用该方法， 首先将耦 合或约束方程的节点选择出来，然后列出这些节点上 ， 这些节点力就是在该 的力 （包 括 /<， /K， /L， =<， =K， =L） 计算工况下， 铆钉和螺栓联接结构中力的分布。 /<， /K，
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收稿日期：4778>7?>74
@ 有限元模型的建立
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铝合金车体有限元模型的建立 高速列车车 体 主 结 构 可 分 为 底 架 、 侧墙、 端墙、 车 顶、 司机室等 6 部分。枕梁、 端梁和司机室结构为了满 足强度和刚度及其它方面的要求， 选用钢材； 车体其它 结构由铝合金的纵向挤压型材和铝板焊接、铆接和螺
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作者简介：肖守讷 （@9A8> ） ， 男， 研究员， 主要从事车辆工程结构优化， 可靠性及疲劳寿命预测 @9?? 年获西南交通大学工程力学专业硕士学位， 方面的研究工作。
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肖守讷 等・高速列车铝合金车体中铆钉和螺栓联接结构的强度分析・ $<<B 年第 9 期
栓联接而成。 结合该车体的结构特点与受力特征， 并考 虑到计算精度和效率， 在有限元力学模型中， 车内各设 备通过计算其重心及安装座位置，以质量单元形式加 至各对应节点上， 二系弹簧采用弹簧单元， 前后从板座 采用三维实体单元， 其余全部采用板单元。 半车模型共 有 !"# !#! 个单元， !"! $%% 个节点。
在对该种车体进行静强度计算分析时，一方面对 铆钉或螺栓联接结构细节的处理将会影响整车应力的 分布； 另一方面， 如何对铆钉或螺栓联接结构本身进行 强度校核也是整车强度分析的重要部分。本文将结合 某高速列车铝合金车体的静强度计算分析，对铆钉和 螺栓联接结构有限元模型的建立和强度校核进行阐 述。
7 引言
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式中： （0） 是自由度项， 一般包括 ’ 个平动和 ’ 个转动 5 自由度； 约束方程迫使两个或多 / 是方程中项的编号。 个自由度之间取得线性的关系。 图 ! 为采用耦合和约束方程技术将后端梁和侧梁 装配在一起，耦合节点的位置就是实体结构中铆钉所
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静强度Байду номын сангаас考核标准
车体材料的机械特性 结合不同材料的优点和车体刚度强度的需要， 该
的自由度联接。耦合技术迫使两个或多个自由度取得 相同但未知的值，耦合自由度集包含一个主自由度和 一个或多个其它自由度。在计算过程中耦合只将主自 由度保存在分析的矩阵方程里，而将耦合集内的其它 自由度删除，计算的主自由度值将分配到耦合集内所 有其它自由度中去。约束方程提供了一种比简单耦合 更通用的联系自由度值的方法，约束方程必须有如下 形式：
铆钉和螺栓联接的机械特性
最大轴向荷载 " $ 最大剪切荷载 " $
%& %* %( -
!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ’% !(( +, ’(( *! *(( !* %((
%)% ’(( -’ &(( )- )(( *+ -((
/ G 7 / >.G2
在剪切和拉伸组合情况下：
*.! *.!.%
许值的规定：
/ 0.12 3 / 0.42 / 5.12 3 / 5.42
式中： / 0.12 是计算的轴向拉伸载荷； / 5.12 是计算的单向 剪切载荷；/ 0.42 是 轴 向 拉 伸 容 许 力 ；/ 5.42 是 单 向 剪 切 容许力。 参考标准 61-%%《铝结构应用——第一部分： 设计 实施惯例》 的规定， 铆钉的单向剪切容许力的计算公式 为：
［’］ 。利用这些技术能进行单元做不到 特殊关系的技术
图!
后端梁和侧梁的铆接有限元模型
$
计算工况的确定
根据 67 8 6!’’9:!;;% 《铁道车辆强度设计及试验
鉴定规范》 和 《$<< => 8 ? 及以上速度等级铁道车辆强 度设 计 及 试 验 鉴 定 暂 行 规 定 》 的要求， 参 照 @0/ 、 A/B"9 :$ 《 铝 和 铝 合 金 : 薄 板 、 带 材 和 板 材 》 @0/ 《 铝和铝合金挤压杆材 8 棒材、 管材及型材》 、 A/#99:$
在的位置。此外， 司机室与侧墙的联接、 前后枕梁与边 梁的联接和牵引缓冲梁与边梁的联接，也均按铆钉或 螺栓的实际位置用耦合和约束方程模拟其联接。
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铆钉和螺栓联接区域细节的处理 由于枕梁、 前后端梁和司机室结构为钢制件， 而底
架侧梁、 侧墙为铝型材， 目前， 不同金属材料之间的焊 接主要采用爆发压接法，但是在车体上还没有应用实 。铆接是通过工具连续锤击或用压缩机压缩铆钉 例［!］ 杆端， 使钉杆充满锭孔并形成铆成头进行联接； 螺栓联 接通过采用标准紧固件， 选择合理的螺纹牙、 螺栓头、 光杆和螺母的结构进行联接［$］ 。铆钉和螺栓联接的工 艺特点决定了其适用于异性金属以及焊接性能不良的 金属的联接。 铆钉杆充满钉孔， 螺母和螺栓头之间的压 力使得联接处结构被约束的自由度相同，从而达到联 接的目的。铆钉和螺栓联接区别于焊接的地方就在于 焊接通过焊缝使焊接的两部分成为一体，特别是在铝 合金车体中，考虑到列车运行中气密性和动力学性能 的问题，焊接一般采用连续焊接。因此在有限元模型 中， 通常使得焊缝两侧结构完全联接在一起。 而铆钉和 螺栓联接只是在铆钉孔和螺栓孔处联接结构的自由度 相同， 其余联接区域是接触关系。如果采用布尔操作， 则人为提高了联接刚度， 影响了整车应力的分析， 因此 铆钉和螺栓联接区域需要另外的处理方法，即耦合和 约束方程。 耦合和约束方程是有限元中建立节点自由度之间