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在機(jī)械類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，對產(chǎn)品的強(qiáng)度分析及動態(tài)特性的驗(yàn)證是必不可少的環(huán)節(jié)。建立虛擬樣機(jī)進(jìn)行有限元仿真分析可以發(fā)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的薄弱部位，仿真結(jié)果可以為產(chǎn)品的改進(jìn)作參考。對機(jī)箱進(jìn)行有限元分析，計(jì)算內(nèi)容不僅要包括板梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及動態(tài)特性，也包括對螺釘連接強(qiáng)度的驗(yàn)證。以往為了計(jì)算機(jī)箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在建模時(shí)將螺釘簡化為梁單元或剛性單元，并未對螺釘連接的強(qiáng)度及疲勞特性進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)對螺釘進(jìn)行了有限元建模及強(qiáng)度分析，建模過程中涉及到接觸的定義、預(yù)緊力的施加及載荷步的施加，整個(gè)建模及計(jì)算過程較復(fù)雜。在分析機(jī)箱強(qiáng)度時(shí)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12663-1-2010《鐵路應(yīng)用設(shè)施-鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求-機(jī)車和客用車》給機(jī)箱施加沖擊載荷及疲勞載荷，在計(jì)算過程中可以提取出螺釘兩端的作用力，然后根據(jù)螺釘應(yīng)力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式對螺釘進(jìn)行強(qiáng)度校核，分析螺釘連接是否符合設(shè)計(jì)要求，分析結(jié)果可為機(jī)箱的優(yōu)化及設(shè)計(jì)提供參考。
本研究計(jì)算對象選取懸掛于城市軌道交通車輛底部的某型號電子元器件機(jī)箱。箱體外形最大外形尺寸560mmX236mmX260mm，機(jī)箱側(cè)板組件及零件使用的材料牌號為SUS304，底板的材料牌號為6061，散熱器使用的材料牌號為6063T6。散熱器組件與側(cè)板組件通過16個(gè)M4X12的十字槽盤頭組合螺釘連接，螺釘?shù)牡燃墳?.8級。底板與側(cè)板組件通過22個(gè)M4X16內(nèi)六角圓柱頭螺釘連接，螺釘?shù)燃墳?.8級。機(jī)箱材料屬性如表所示。
根據(jù)機(jī)箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立機(jī)箱的有限元模型。建模時(shí)去除了較小的圓角、倒角等細(xì)節(jié)，去除了非承載部件，將非承載部件的質(zhì)量分配到散熱器上。機(jī)箱內(nèi)部設(shè)備采用質(zhì)量單元連接在實(shí)際的安裝位置上，機(jī)箱整體結(jié)構(gòu)采用殼單元進(jìn)行離散，離散后節(jié)點(diǎn)數(shù)為61865個(gè)，單元數(shù)為47990個(gè)。機(jī)箱有限元模型如圖所示。螺釘?shù)倪B接方式如圖2所示。螺釘采用梁單元進(jìn)行模擬，梁單元的直徑為螺釘?shù)男健Ｂ葆數(shù)挠邢拊Ｐ腿鐖D所示。螺釘在散熱器上的分布及編號如圖所示。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12663-1-2010 “設(shè)備靜載荷”表，P-II類得到機(jī)箱受到的校驗(yàn)載荷加速度。機(jī)箱的校驗(yàn)載荷工況見表，其中根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12663-1-2010，P-II類得到疲勞載荷加速度。據(jù)此可以得到機(jī)箱的疲勞載荷工況。根據(jù)各載荷工況作用力的方向，得到疲勞載荷工況。本節(jié)對散熱器組件的螺釘及螺紋進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算方法參考《緊固件手冊》。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T196-2003《普通螺紋基本尺寸》，普通螺紋的牙型圖如圖所示，M4的螺紋參數(shù)見表。根據(jù)GB/T3098.1-2000，8.8級M4螺釘?shù)奈锢砗蜋C(jī)械性能見，螺釘在裝配連接時(shí)需要有一定的預(yù)緊力，存在拉伸載荷及剪切載荷，螺釘連接的主要失效形式為螺釘光桿剪切面處因拉力和剪力復(fù)合而斷裂。
根據(jù)表的載荷工況給機(jī)箱施加載荷進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)出各個(gè)螺釘?shù)妮S向力，通過比較得出最大的螺釘軸向力。校驗(yàn)載荷工況4下螺釘6的軸向力最大為29.50N。則由式得：將以上螺釘應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總，匯總結(jié)果見。由表可知，螺釘在最大軸向載荷情況下的各種應(yīng)力都小于相應(yīng)的許用應(yīng)力，因此螺釘連接的強(qiáng)度合格。在車輛運(yùn)行時(shí)，安裝在車體底部的機(jī)箱承受著交變載荷，此時(shí)，機(jī)箱上的螺釘也受此影響，那么，其失效形式可能包括疲勞破壞。由此，螺釘強(qiáng)度分析除了用最大載荷進(jìn)行靜強(qiáng)度分析外，還須進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析。在多種分析螺釘疲勞強(qiáng)度的方法中，選擇應(yīng)力幅方法來計(jì)算安全系數(shù)。受軸向載荷的緊螺釘聯(lián)接，當(dāng)其受到交變載荷時(shí)，根據(jù)下列方法對螺釘?shù)钠趶?qiáng)度進(jìn)行校核。按照疲勞工況對機(jī)箱進(jìn)行有限元計(jì)算，得到各個(gè)螺釘?shù)妮S向力。按照工況組合，將工況1與工況8的軸向力相減，工況2與工況7的軸向力相減，工況3與工況6的軸向力相減，工況4與工況5的軸向力相減，通過比較得到最大軸向力之差為3.674N，故螺釘?shù)钠趶?qiáng)度合格。
通過分析可以得出，螺釘連接的強(qiáng)度合格在使用過程中不會失效。將有限元計(jì)算與螺釘?shù)膽?yīng)力計(jì)算相結(jié)合，解決了機(jī)箱強(qiáng)度分析中螺釘應(yīng)力計(jì)算較困難的難題，其分析過程可以為工程分析提供參考。
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