轻轨车固定铰接结构有限元分析及方案改进

李娅娜 李东东 姜士鸿

摘要：为保证轻轨列车的行驶安全，对固定铰接结构进行强度校核。选择接触非线性有限元方法，采用空间六面体单元和四节点壳单元建立模型，对某铰接结构及其连接螺栓进行静强度分析。初步计算结果表明左铰接件连接螺栓的应力不满足设计要求。通过调整铰接座的螺栓孔距、取消螺栓安装铰接座上的下沉孔、加大螺栓孔与铰接座边界的距离对固定铰接结构进行改进，结果表明：螺栓和铰接座的最大应力分别降低2.62%和41.85%，满足设计要求。

关键词：固定铰接; 螺栓; 接触非线性; 方案改进; 有限元

中图分类号：U260.331.7;U270.34;TB115.1

文献标志码：B

Finite element analysis and scheme improvement on

fixed articulated structure of light rail vehicle

LI Yana1， LI Dongdong1， JIANG Shihong2

（1.College of Locomotive and Rolling Stock Engineering， Dalian Jiaotong University， Dalian 116028， Liaoning， China;

2.CRRC Changchun Railway Vehicles Co.， Ltd.， Changchun 130062， China）

Abstract：

To ensure the driving safety of light rail trains， the strength of fixed articulation structure is checked. The model is established using space hexahedron element and four-node shell element by contact nonlinear finite element method. The static strength of an articulation structure and its connecting bolts is analyzed. The preliminary calculation results show that the stress of the left part articulation bolts does not meet the design requirements. By adjusting the bolt hole space of articulation seat， canceling the subsidence hole on the articulation seat of the bolt installation， increasing the distance between bolt hole and articulation seat boundary， the fixed articulation is improved. The results show that the maximum stress of bolts and articulation seat is reduced by 2.62% and 41.85%， respectively， which meets the design requirements.

Key words：

fixed articulation; bolt; contact nonlinearity; program improvement; finite element

收稿日期：2019-07-03

修回日期：2019-07-17

作者簡介：

李娅娜（1977—），女，辽宁大连人，副教授，博士，研究方向为车辆结构设计与现代设计方法，（E-mail）lyn1977522@163.com

通信作者： 李东东（1993—），男，江苏宿迁人，硕士研究生，研究方向为车辆关键技术及其CAE，（E-mail）632963215@qq.com

0 引 言

我国城市轨道交通处于快速发展的阶段[1]，为满足人们日常的出行需求，轻轨车成为某些城市的最佳选择。大部分轻轨车以铰接的形式进行编组，铰接结构与连接螺栓的强度直接关系到列车运行的安全性。

近年来，国内许多学者针对车辆关键部件进行结构优化研究。贺小龙等[2]分析铰接装置金属关节轴承设计开发过程，确认新型铰接金属关节轴承能满足城市轨道车辆运行疲劳性能要求，重点阐述结构设计、材料选择和有限元分析过程。雷军等[3]研究低地板车辆设计参数变化对各个接口铰接力的影响，认为车体重心位置对铰接力的大小有重要影响。罗斌等[4]完成转动铰接装置的详细结构设计，并通过强度计算分析，验证产品满足设计要求。以上研究只对影响铰接结构性能的原因和设计参数进行分析，对铰接内部结构进行方案优化设计方面的研究鲜有报道。[5]在车辆正常行驶过程中，固定铰接承受大部分的载荷，固定铰接与车体间通过螺栓连接，各方向加速度载荷对螺栓连接的可靠性提出较高的要求。为保证列车的行驶安全，对固定铰接结构和连接螺栓进行强度校核尤为重要。

本文以某轻轨车的固定铰接为例，进行接触非线性强度分析，根据有限元仿真结果对固定铰接内部结构进行合理改进，使结构满足静强度应力要求，保证固定铰接满足安全性要求，延长使用寿命。

1 弹性接触问题的有限元法

接触问题属于典型的不定边界问题。[6]求解边界不定的接触问题时，运用有限元法只能假定一种边界条件。对于由a和b两个物体产生的接触问题，以节点、位移为未知量的有限元方程组[7]为

Kaua=Ra+

Pa（1）

Kbub=Rb+Pb

（2）

式中：K为物体刚度矩阵，随接触状态改变而改变;

u为物体的节点位移;R为物体的节点力;P为作用在物体上的外力。u和R都是未知量，方程不能直接求解，只能通过节点之间的位移相容关系计算得到。

物体a和b接触面上的节点分别为ia和ib，如果K为非奇异矩阵，就可以计算节点的柔度，即

u a，i =mj=1C a，ij

R a，j +nak=1C a，ik

P a，k（3）

u b，i =mj=1C b，ij

R b，j +nbk=1C b，ik

P b，k（4）

式中：i、 j和k表示节点号;na和nb为节点对的数目;

Cij 和Cik 分别为由j和k点的单位力在i点引起的x、y和z方向的3×3阶柔度子矩阵。

2 固定铰接结构接触非线性计算分析

2.1 模型介绍

常见的轻轨车辆是5节编组[8]，见图1a）。轻轨车辆前后两端模块为动车模块，拖车模块位于车体中间，悬浮模块位于拖车模块两侧，且与动车模块相连。固定铰接结构位于相邻车体的底部，可绕x、y和z方向转动，限制不同模块车体之间3个方向的平动。来自不同模块相邻车体的重力载荷和由车辆加、减速引起的纵向冲击运动载荷大部分由固定铰接结构承受，并且通过固定铰接结构和弹性铰接结构传递到车体。同时，固定铰接结构还限制不同模块相邻车体间的沉浮运动和侧滚运动，使相邻车体间仅存在相对摇头自由度[9]。固定铰接结构示意见图1b）。

2.2 有限元模型

固定铰接结构由左铰接件和右铰接件组成，彼此通過关节轴承和销轴传递载荷[10]，因此在校核固定铰接部件强度时，可把左、右铰接件分开，依次施加载荷计算。左、右铰接件均由铰接座、螺纹板、车体连接板和螺栓等组成。铰接座、螺纹板和车体连接板的材料为18CrNiMo7-6 QT，铰接座由20个45Gr钢制M24螺栓（10.9级）与车体相连接。各结构弹性模量取2.1×105，泊松比为0.3，材料密度为7.85× 10-3g/mm3。螺栓屈服强度取900 MPa，其他部件屈服强度取750 MPa，在螺栓中间截面处施加231 250N预紧力。

整体有限元模型采用空间六面体单元和四节点壳单元混合建模，其中铰接与螺栓结构全部采用六面体单元，左铰接件整体模型总计79 814个单元、86 260个节点，右铰接件整体模型总计54 736个单元、56 036个节点，有限元模型见图2。利用接触对定义各部件的连接关系，左、右铰接件各5个接触对，分别位于两个铰接座（2对）之间、螺栓与铰接座之间、铰接座与车体连接板之间，以及车体连接板与螺纹板之间。

2.3 计算工况

分析校核固定铰接结构关键部件的强度，建立固定铰接结构与车体连接关系模型。铰接件与车体的连接作用对模型影响较大，为真实模拟铰接结构受力情况，建立部分车体模型。车体模型的最远端截面对部件计算结果影响较小，因此在该处施加x、y和z方向的平动和转动约束。根据实际载荷工况，通过柔性单元将铰接座销轴孔处的所有节点绑定质量点，且载荷集中作用于此点。以沿车体方向为纵向，当固定铰接结构受到纵向拉力时，左铰接件载荷加载位置为绕铰接座孔右端180°范围内，右铰接件载荷加载位置为绕铰接座孔左端180°范围内。当固定铰接结构受纵向压力时，受力位置和方向与受拉力时的相反。工况1为列车行驶工况，纵向载荷为400.6 kN，横向载荷为38.6 kN，垂向载荷为24.5 kN，工况1载荷施加见图3。工况2为列车制动工况，纵向载荷为400.0 kN，横向载荷为19.5 kN，垂向载荷为26.8 kN，工况2载荷施加见图4。

2.4 接触非线性静强度计算结果

经计算分析，在各工况下，右铰接件各个部件的最大应力均小于其屈服强度，左铰接件的铰接座、车体连接板和螺纹板等部件的静强度均合格。工况1左铰接件螺栓的应力云图见图5，最大应力值为909.12 MPa，大于其屈服强度。左、右铰接件各部件在各工况的接触非线性应力计算结果见表3。

3 固定铰接结构改进方案及其强度分析

3.1 固定铰接结构改进方案

结合以往经验和有限元分析结果，改进固定铰接结构设计方案。

3.1.1 改进方案一

固定铰接结构受3个方向载荷作用。作用于左、右铰接件的载荷通过关节轴承和销轴传递到铰接座，铰接座通过M24螺栓组将载荷传递到车体连接板，进而传递到整个车体。当纵向力和横向力组合传递到铰接座时，会使铰接座两端的螺栓发生较大变形，从而导致铰接座两侧螺栓的应力较大，达不到设计要求。在原始模型基础上，合理安排铰接座上连接螺栓之间的距离，可降低两侧螺栓的应力值，使结构设计更合理。铰接座改进方案一见图6。

3.1.2 改进方案二

初步分析铰接结构，发现铰接座上的螺栓孔边与铰接座两侧的连接螺栓应力都相对较大。在原始设计模型中，螺栓孔距铰接座的边界很近，容易造成铰接座与连接螺栓的应力集中，且铰接座的螺栓孔为下沉孔，对铰接座的铸造工艺要求较高。因此，在方案一的基础上，加大螺栓孔与铰接座边界的距离并去掉螺栓的下沉孔，铰接座改进方案二示意见图7。