底架吊挂设备铆螺栓铆接顺序仿真研究

底架吊挂设备铆螺栓铆接顺序仿真研究

吴卉1, 李树栋2, ,魏瑞霞3  ,祁赟,4  ,张卿伟5

中车南京浦镇车辆有限公司      江苏南京   210031

摘要：本文通过有限元分析软件Abaqus对底架吊挂设备铆螺栓组的铆接顺序进行仿真模拟，对轴向力数值进行统计对比分析，得出此类结构铆螺栓组的最优铆接顺序，为铆螺栓组装配连接工艺设计、优化和性能预测等提供了参考。

关键词：底架吊挂设备、铆螺栓组、铆接顺序、轴向力

1 绪论

城轨地铁车辆中，底架吊挂设备普遍采用铆螺栓组铆接紧固方式，如图1.1所示为某项目中高压电器箱吊挂结构。本结构采用了18颗铆螺栓连接，此铆螺栓组在分布上不是典型的圆形、矩形、线条型结构，铆接顺序上无法直接借用机械设计手册中图1.2所示的多螺栓结构顺序。由于连接件之间的相互作用的影响，先拧紧的螺栓预紧力在后续螺栓拧紧过程中出现预紧力衰减现象，严重影响零部件之间的连接效果【1】，郭绍光也对螺栓组拧紧顺序进行了探讨【2】。因此，本文通过有限元分析软件Abaqus对铆螺栓组铆接顺序过程进行仿真研究，对得到的轴力数值进行统计分析，最终得出铆螺栓组最优铆接顺序，用于指导现场装配连接工艺。

图1.1高压电气箱吊挂结构

图1.2典型结构的紧固顺序

2 数值模拟

2.1有限元模型

车体边梁和设备安装骨架采用壳单元建模，铆螺栓采用实体单元建模，设备采取重心点进行点单元建模，然后通过MPC刚性耦合到骨架的安装座上。为实现仿真目标要求，对螺栓进行编号处理，如图2.1所示。

图2.1 有限元模型示意图

根据现场装配件的材质,车体边梁、设备骨架、铆螺栓的材料属性数据如下表所示。

表2.1各子件材料属性

2.2载荷及约束

载荷分为螺栓预紧载荷和重力载荷两种，（1）铆螺栓预紧载荷：每个螺栓施加轴向载荷，参照M16螺栓标准，轴向载荷为43KN。（2）设备重力载荷：按设备重量为1吨的重力进行加载。如图2.2所示。边梁边沿全约束，模拟车体的约束情况，并假设边梁型材不会发生变形。边梁上表面与铆螺栓的表面建立绑定约束。边梁下表面与骨架上表面建立接触关系。骨架下表面与铆螺栓表面建立接触关系。

图2.2 螺栓载荷示意图

2.3仿真目标和要求

参照机械设计手册的理念，推导出三种紧固顺序，分别如下：

图2.3 工况1分布        图2.4 工况2分布          图2.5 工况3分布

其中：工况1的特点是先紧固每组铆螺栓中间那颗，然后对角交替紧固；工况2是先紧固中间那组铆螺栓，其余螺栓依次对角交替紧固；工况3是特点是先紧固每组铆螺栓中间那颗，然后对角的螺栓以成组的方式交替紧固。

设备各安装座在同一平面内，并与底架边梁完全贴合，在这一条件下，通过仿真计算获得：（1）紧固完成后铆螺栓的轴向力情况。（2）设备重力加载后螺栓的轴向力情况。

3 计算结果

在Abaqus中采用分步加载法先后按工况0（同时铆接GK0对比工况）、工况1、工况2、工况3铆接顺序要求进行加载仿真，对结果进行处理，提取所有螺栓的轴向力，数值如3.1表所示：

表3.1 螺栓轴力表格

对于螺栓组连接而言，全部螺栓紧固后的最佳状态为所有螺栓受力均匀，离散程度越小越好，因此取标准差统计计算，得出的结果如图3.1、3.2所示。

图3.1 铆螺栓紧固后的标准差分布        图3.2 设备加载后的标准差分布

四种方案工况0优于工况2优于工况3优于工况1 ，工况1和工况3差距很小，即可认为工况1和工况3的安装效果一致。工况2的效果要好于工况1和工况3，为最优紧固顺序，优先推荐。

分别取四种工况加载后每个铆螺栓上的轴力做折线图，工况1,2,3三种工况下的轴力基本一致已重叠为一条线，如图3.3所示：

图3.3不同工况下铆螺栓轴力对比折线图

各种工况下的螺栓受力趋势一致，受力最大的螺栓为5号和14号螺栓，其次为2、8、11、17号螺栓。对应图2.4，每个安装座中点的铆螺栓受力最大。

4 结论

通过以上分析，形成如下结论:

1.本结构中的铆螺栓铆接顺序优先推荐为：

2.每个安装座中点的铆螺栓受力最大，在后续架修或大修车辆时，注意中点处的螺栓是否损坏并及时更换。

参考文献：

1.郭绍光，关于螺栓组拧紧顺序的探讨,山西建筑[J],2003.04,74-75。

2.范云生，汽车螺纹连接柔性装配系统的研究及应用，大连海事大学[J],2012.。