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列車輕量化是高速列車發(fā)展的重要條件，因而減輕機(jī)車車輛承載結(jié)構(gòu)的質(zhì)量即車體輕量化研究成為高速列車車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方向。目前國內(nèi)外實(shí)現(xiàn)車體輕量化的主要方式之一是采用鋁合金材料。在鋁合金車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，車體主要承載部件(如底架、側(cè)墻、車頂、端墻等)一般采用大型中空截面擠壓型材，整車結(jié)構(gòu)由這些型材焊接、鉚接或螺栓聯(lián)接而成。由于鋁合金焊接中存在焊接處母材強(qiáng)度降低、焊接缺陷、變形、殘余應(yīng)力等問題，為了體現(xiàn)鋁合金和鋼材的各自優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)成車體時(shí)需要采用兩種不同的金屬。在兩種不同金屬間進(jìn)行焊接時(shí)，焊接難度大，焊接質(zhì)量難以保證，因此鉚釘或螺栓聯(lián)接成為此處結(jié)構(gòu)聯(lián)接的重要方式。
在對(duì)該種車體進(jìn)行靜強(qiáng)度有限元分析時(shí)，一方面對(duì)鉚釘或螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的處理將會(huì)影響整車應(yīng)力的分布；另一方面，如何對(duì)鉚釘或螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行強(qiáng)度校核也是整車強(qiáng)度分析的重要部分。本文將結(jié)合某高速列車鋁合金車體的靜強(qiáng)度計(jì)算分析，對(duì)鉚釘和螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)有限元模型的建立和強(qiáng)度校核進(jìn)行闡述。
高速列車車體主結(jié)構(gòu)可分為底架、側(cè)墻、端墻、車頂、司機(jī)室等5部分。枕梁、端梁和司機(jī)室結(jié)構(gòu)為了滿足強(qiáng)度和剛度及其它方面的要求，選用鋼材；車體其它結(jié)構(gòu)由鋁合金的縱向擠壓型材和鋁板焊接、鉚接和螺栓聯(lián)接而成。結(jié)合該車體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與受力特征，并考慮到計(jì)算精度和效率，在有限元力學(xué)模型中，車內(nèi)各設(shè)備通過計(jì)算其重心及安裝座位置，以質(zhì)量單元形式加至各對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，二系彈簧采用彈簧單元，前后從板座采用三維實(shí)體單元，其余全部采用板單元。半車模型共有187171個(gè)單元，181266個(gè)節(jié)點(diǎn)。
由于枕梁、前后端梁和司機(jī)室結(jié)構(gòu)為鋼制件，而底架側(cè)梁、側(cè)墻為鋁型材，目前，不同金屬材料之間的焊接主要采用爆發(fā)壓接法，但是在車體上還沒有應(yīng)用實(shí)例。鉚接是通過工具連續(xù)錘擊或用壓縮機(jī)壓縮鉚釘桿端，使釘桿充滿錠孔并形成鉚成頭進(jìn)行聯(lián)接；螺栓聯(lián)接通過采用標(biāo)準(zhǔn)緊固件，選擇合理的螺紋牙、螺栓頭、光桿和螺母的結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)接。鉚釘和螺栓聯(lián)接的工藝特點(diǎn)決定了其適用于異性金屬以及焊接性能不良的金屬的聯(lián)接。鉚釘桿充滿釘孔，螺母和螺栓頭之間的壓力使得聯(lián)接處結(jié)構(gòu)被約束的自由度相同，從而達(dá)到聯(lián)接的目的。鉚釘和螺栓聯(lián)接區(qū)別于焊接的地方就在于焊接通過焊縫使焊接的兩部分成為一體，特別是在鋁合金車體中，考慮到列車運(yùn)行中氣密性和動(dòng)力學(xué)性能的問題，焊接一般采用連續(xù)焊接。因此在有限元模型中，通常使得焊縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)完全聯(lián)接在一起。而鉚釘和螺栓聯(lián)接只是在鉚釘孔和螺栓孔處聯(lián)接結(jié)構(gòu)的自由度相同，其余聯(lián)接區(qū)域是接觸關(guān)系。如果采用布爾操作，則人為提高了聯(lián)接剛度，影響了整車應(yīng)力的分析，因此鉚釘和螺栓聯(lián)接區(qū)域需要另外的處理方法，即耦合和約束方程。
耦合和約束方程是有限元中建立節(jié)點(diǎn)自由度之間特殊關(guān)系的技術(shù)。利用這些技術(shù)能進(jìn)行單元做不到的自由度聯(lián)接。耦合技術(shù)迫使兩個(gè)或多個(gè)自由度取得相同但未知的值，耦合自由度集包含一個(gè)主自由度和一個(gè)或多個(gè)其它自由度。在計(jì)算過程中耦合只將主自由度保存在分析的矩陣方程里，而將耦合集內(nèi)的其它自由度刪除，計(jì)算的主自由度值將分配到耦合集內(nèi)所有其它自由度中去。約束方程提供了一種比簡(jiǎn)單耦合更通用的聯(lián)系自由度值的方法，約束方程必須有如下形式。
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