邹庆薇,王剑

(大连交通大学 机车车辆工程学院，辽宁 大连 116028) *

随着科技发展越来越迅速，轨道车辆在人们快捷出行方面扮演着越来越重要的角色，对轨道车辆相关结构、部件的安全要求也越来越高.

轨道车辆内部很多结构依靠螺栓连接，这些螺栓在工作环境中承受拉、剪载荷，如何评定这些螺栓连接的强度一直是安全分析的热点.在不同领域、不同结构中，已有了很多类似分析，李树栋[1]以轨道车辆车钩连接螺栓为研究对象，建立了接触非线性有限元模型，进行弹塑性及接触非线性分析，得到了车钩螺栓强度与预紧力、连接部件之间的关系.姚星宇[2]研究了航空发动机螺栓连接载荷、结构参数对连接刚度的影响，推导了复杂螺栓连接结构的连接刚度理论表达式.漆瑾、李成涛等人[3-8]对不同车辆连接螺栓进行了强度分析，解决了实际应用中的一些问题.高吉娥[9]针对欧洲标准，基于ANSYS平台进行二次开发，为螺栓强度评估提供了使用工具.

在面向美国客户时，产品设计要求使用美国相应标准，前述研究工作中，针对美国标准的螺栓强度校核还相对较少，如何适应美国客户要求，遵循美国标准进行螺栓连接设计，是一项亟待解决的问题.本文针对轨道车辆的客室折叠座椅螺栓连接结构，利用美国标准对座椅连接螺栓进行强度评估，形成了一套适合美国标准的分析流程.

1 螺栓强度校核原理

AISC是美国钢结构学会(American Institute of Steel Construction)对钢结构连接颁布的一系列标准规范[10]，规范对螺栓的选用、预紧力施加、强度校核做了详细规定[11].对承受拉、剪作用的高强度螺栓，以Rn为螺栓的标准抗力值，可以表述为如下表达式：

Rn=Fn×Ab

(1)

式中，Ab为螺栓公称直径的截面积，Fn为螺栓承载极限.对抗拉载荷情况，包含连接件产生的弯曲效应，表述为Fnt;对抗剪切情况，表述为Fnv.Fnt螺栓抗拉强度和Fnv抗剪强度可以查询美国钢结构材料标准ASTM，标准中Fnt和Fnv由螺栓极限抗拉强度Fu考虑安全利用因子给定.AISC钢结构荷载抗力系数设计规范分别就不同结构部件形式，给出了相应强度极限和安全利用因子为0.75时的设计参考值，如表1所示，在实际工程中，安全因子(φ)可以扩大为1.

(2)

(3)

(4)

(5)

当外部荷载产生的拉应力和剪应力均大于螺栓可提供对应强度的30%时，必须利用式(4)和(5)对螺栓进行二次校核，否则可以认为螺栓满足要求.

表1 美国规范对高强度螺栓强度值规定 MPa

2 螺栓强度评估流程

根据上述原理，可以把基于美国标准的螺栓强度评估流程归纳整理如下：

(1)依据ASTM F593标准，确定螺栓强度等级；

(2)依据表1和螺栓参数，考虑安全利用因子，确定螺栓评估拉伸强度极限和剪切强度极限；

(3)进行结构有限元分析，提取螺栓内力；

(4)利用拉伸强度、剪切强度对螺栓进行一次评估，对拉应力和剪切应力均超过相应强度极限30%的螺栓，利用式(4)和(5)进行二次评估.

3 螺栓强度评估实例

基于上述原理和流程，以出口国外点焊车为研究对象，基于美国标准对某车上客室折叠四人折叠连接螺栓进行强度评估.

客室折叠座椅的重要连接骨架均采用不锈钢材料，为了保证四人折叠座椅有限元模型分析的准确性以及安装的合理性，建模过程中，基于子模型思想，切割部分整车模型，引入相应边界条件参与计算，客室四人折叠座椅的有限元模型采用以任意四节点薄壳单元为主，三节点薄壳单元为辅来模拟.螺栓部位用CE与Beam梁来模拟，整体座椅模型与螺栓局部模型，如图1所示.

(a) 座椅

(b) 螺栓图1 客室四人折叠座椅与螺栓有限元模型

通过查表，确定四人折叠座椅的螺栓材料为ASTM F593C，螺栓直径为9.5 mm，其极限抗拉强度为689MPa.四人折叠座椅中的螺栓剪切面内无螺纹，螺栓长度L=952.5 mm<965mm，因此，拉伸强度系数为0.75，剪切强度系数为0.45.实际工程应用，确定安全利用因子为1，因此根据表1确定该螺栓的拉伸极限为Fnt=689×0.75=517MPa，剪切极限为Fnv=689×0.45=310MPa. 参照美国APTA标准，设置有限元分析工况，如表2所示，g表示重力加速度，取9.81 m/s2.考虑材料塑性变形，基于双线性材料模型，对结构进行材料、几何非线性有限元分析，得到强度计算结果.原设计座椅靠背直接连接侧墙，结构简单，安装便捷，但强度计算结果不满足要求.于是改进结构，椅背后方添加C型梁， 用以提高座椅稳定性.同时，为了降低结构在实际运行当中螺栓所受到的力，确保螺栓安全，在座椅骨架连接螺栓上焊接了承载套筒，如图2～图5所示.

表2 客室座椅强度分析工况

图2 原始设计方案

图3 添加C型连接梁方案

图4 原始设计方案

图5 添加螺栓套筒方案

两种结构均满足整体结构静强度要求，提取危险位置螺栓内力，依据第2、3部分评估流程，对螺栓进行强度评估，选取出现最大内力的工况进行评估，螺栓内力如表3、表4所示.

表3 原始设计中螺栓内力 N

表4 更改设计中螺栓内力 N

对原始结构，工况3下编号2的螺栓峰值轴向拉力和峰值剪切力合力最大，进行强度校核，代入螺栓直径，得到螺栓工作应力：

(1)计算9.5 mm直径螺栓的公称面积：

(2)螺栓最大工作拉应力：

该拉应力是517 MPa许用拉伸强度的87.3%；

(3)最大剪应力：

最大剪应力是许用剪切强度310 MPa的38%.

通过以上的分析，该螺栓的拉应力与剪切应力均大于其各自拉应力的许用值的30%，依据标准要求，需要对该螺栓继续使用修正公式进行进一步校核.

(4)修正后的螺栓拉应力结果：

(5)修正后的螺栓剪切应力结果：

公式校核计算出来的螺栓轴力值小于517MPa，剪力值为349 MPa大于310 MPa，结果显示，该螺栓的剪力不合格.

对修改后的结构，从表4中提取相应数据进行计算，最危险螺栓同样为2号螺栓，计算得到轴向应力为123 MPa，剪切应力为30 MPa，轴向应力和剪切应力均小于相应材料的30%，不需要进一步校核，螺栓满足强度要求.

上述计算结果显示，原始设计中，部分螺栓不能满足结构要求，改进结构后，增强了座椅靠背支撑，螺栓采用套筒形式，大大降低了螺栓所受载荷，螺栓在危险工况下满足结构强度要求

4 实验验证

基于改进结构，对座椅进行了实验验证，实验截取了部分座椅进行冲击试验，试验结构如图6、图7所示.

图6 实验中座椅结构

图7 座椅连接位置

表5 螺栓计算轴力与测试轴力对比 N

基于超声波检测方法测量螺栓轴力，用以验证仿真分析结果， 实验中提取相应工况、相应螺栓的数据如表5所示.提取的轴力数据与仿真数据基本吻合，最大误差不足10%.实验数据既校核了螺栓满足强度标准，又检验了仿真模型计算精度.

5 结论

本文工作研究了基于美国标准AISC的螺栓强度校核原理，归纳总结了基于美国标准的螺栓强度校核步骤，将美国AISC标准应用到了铁路车辆车上螺栓连接结构的强度评估中，评估了座椅连接螺栓的安全性.研究结果可以为出口美国的机车车辆校核所借鉴，为车体连接件设计提供数据.