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在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)產(chǎn)品的強(qiáng)度及動(dòng)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(duì)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(dòng)態(tài)特性，也包括對(duì)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(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧騽傂詥卧�，并未�?duì)螺釘連接的強(qiáng)度及疲勞特性進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)對(duì)螺釘進(jìn)行了有限元建模及強(qiáng)度分析，建模過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)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(duì)象選取懸掛于城市軌道交通車輛底部的某型號(hào)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(hào)為SUS304，底板的材料牌號(hào)為6061，散熱器使用的材料牌號(hào)為6063T6。散熱器組件與側(cè)板組件通過(guò)16個(gè)M4X12的十字槽盤(pán)頭組合螺釘連接，螺釘?shù)牡燃?jí)為8.8級(jí)。底板與側(cè)板組件通過(guò)22個(gè)M4X16內(nèi)六角圓柱頭螺釘連接，螺釘?shù)燃?jí)為8.8級(jí)。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接方式如圖所示。螺釘采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，梁?jiǎn)卧闹睆綖槁葆數(shù)男�。螺釘�(shù)挠邢拊Ｐ腿鐖D所示。螺釘在散熱器上的分布及編號(hào)如圖所示。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12663-1-2010Part4.5“設(shè)備靜載荷”表，得到機(jī)箱受到的校驗(yàn)載荷加速度(見(jiàn)表)。機(jī)箱的校驗(yàn)載荷工況，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12663-1-2010Part4.7.3表17-表19，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(duì)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(cè)》。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(jiàn)表。根據(jù)GB/T3098.1-2000，8.8級(jí)M4螺釘?shù)奈锢砗蜋C(jī)械性能見(jiàn)表，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)廠方提供的螺釘?shù)臄Q緊力矩為T(mén)=1.9Nm，采用下式可計(jì)算得到預(yù)緊力：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(guò)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。則由式得外螺紋：抗剪應(yīng)力由于螺釘旋入散熱器中，螺釘受到剪切載荷，螺釘與螺孔的剪切應(yīng)力條件為：將以上螺釘應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總，匯總結(jié)果見(jiàn)表。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(lái)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(duì)螺釘?shù)钠趶?qiáng)度進(jìn)行校核。按照疲勞工況對(duì)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(guò)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(guò)上文分析可以得出，螺釘連接的強(qiáng)度合格在使用過(guò)程中不會(huì)失效。本文將有限元計(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(guò)程可以為工程分析提供參考。
專業(yè)從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)│有限元分析│強(qiáng)度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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