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
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。
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，彼此通过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18CrNiMo7-6QT，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900MPa，其他部件屈服强度取750MPa，在螺栓中间截面处施加231250N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79814个单元、86260个节点，右铰接件整体模型总计54736个单元、56036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400.6kN，横向载荷为38.6kN，垂向载荷为24.5kN，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400.0kN，横向载荷为19.5kN，垂向载荷为26.8kN，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909.12MPa，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。
3.2改进方案计算结果
左铰接件各个部件的应力计算结果对比见表4。根据设计准则，部件的应力值应小于其材料屈服强度应力，即安全系数大于1时满足设计要求。
4结论
对轻轨车固定铰接结构进行分析，发现螺栓之间的距离、螺栓孔与铰接座边界的距离对铰接结构各个部件受力有较大影响，并据此对铰接结构进行改进，结论如下:
(1)在列车行驶工况下，初始固定铰接结构左铰接件的M24螺栓最大应力为909.12MPa，大于其材料的屈服强度，不符合设计要求。
(2)合理调整螺栓间距，不满足设计要求的工况1螺栓的应力由909.12MPa降为899.80MPa，小于其屈服应力，其他部件在各个工况下的应力也均有所降低。
(3)在合理调整螺栓间距的基础上，加大螺栓孔与铰接座边界的距离并去掉螺栓的下沉孔，螺栓的最大应力由899.8MPa降为885.33MPa，铰接座最大应力由425.87MPa降为249.27MPa，降幅明显。
(4)通过2次改进，与初始模型相比，铰接座的最大应力降幅为41.85%，车体连接板最大应力降幅为12.27%，螺栓的最大应力降幅为2.62%，可为轻轨车固定铰接设计提供依据。
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