贾伟男 徐强 石昀杭 宗宝 倪润
（中车长春轨道客车股份有限公司，长春 130000）
摘要：为了解决高速动车组车下大部件吊装扭矩施加过程中螺栓是否应该在无应力状态下的问题，通过有限元法进行分析，以变压器及冷却单元吊装工序为例，模拟大部件吊装螺栓在受应力状态下和无应力状态下施加扭矩过程，比较这两种情况下对螺栓预紧力的影响。
关键词：高速动车组；大部件吊装；螺栓预紧力；应力状态
安全稳定可靠是车辆运行的基本要求，高速动车组车下大部件吊装工序是影响行车安全的关键工序，保证大部件吊装螺栓的紧固强度是装配过程中的重中之重。为了使螺栓能够保证大部件单元安全可靠地工作，装配时需要通过调整螺栓拧紧力矩来施加适当的轴向预紧力，从而使螺栓连接时处于预紧力紧固状态。大部件吊装预紧过程中需要使用气垫船将大部件支撑，保证大部件螺栓在无应力状态下进行预紧固。但在对螺栓施加力矩时，大部件下方没有用气垫船进行支撑，是在螺栓受力状态下进行紧固的，可能存在着行车安全隐患。
本文采用有限元分析的方法，分别在有、无大部件重力影响的情况下对螺栓施加相同的力矩，分析对螺栓最终预紧力的影响。
1 仿真模型的创建
1.1 几何模型的创建
本文以变压器为例，其有M20螺栓20个，由于螺纹尺寸较小，若要将20个螺栓进行接触过程仿真，需要大量的计算并建立精细的网格模型，是难以完成的。故本次研究只取一部分模型进行进行仿真，施加合理的边界条件，来模拟车下大部件安装过程中，在不同应力条件下对螺栓施加力矩，其预紧力变化过程的差别。将底座、长套与带螺纹的车体进行简化，其厚度尺寸、螺纹孔、以及螺纹尺寸均按实际的底座厚度设计，以保证其和螺纹的真实配合关系。
1.2 有限元网格的创建
螺栓扭紧过程，是通过螺纹等的相互作用在施加扭矩下完成的，所以螺栓及固定方形块的螺纹建模是建模的重点。由于螺牙间存在非常复杂的动态接触关系，所以，必须建立精细的网格模型，以使计算过程中该接触关系能够顺利建立起来。对于其它接触关系相对简单的或不存在接触关系的地方，可以采用稍粗糙的单元进行建模。为保证计算精度和准确性，所有模型均采用实体单元建模，对螺纹部分，则全部采用六面体单元建模。
整体网格共有实体单元57250个，节点29959个。
1.3 材料模型的创建
螺栓材料为30 rNiMo8，其弹性模量为210GPa，泊松比0.3，密度7.9g/ m3，屈服强度为969Mpa。
长套块材料为Q345，其弹性模量为210GPa，泊松比0.3，密度7.9g/ m3，屈服强度为370Mpa。
方形固定块所用材料为6082铝合金的，其弹性模量为70GPa，泊松比0.32，密度2.7g/ m3，屈服强度为290Mpa。
1.4 约束关系的建立
对方形固定块，通过刚性单元，将其四周部分单元连接，并通过节点Fixed-pt，实现其固定，定义节点Fixed-Pt的六个自由度均为0，对于螺栓和长套块，不进行约束定义，以符合实际工况。
1.5 载荷的加载过程
(1)初始加载状态下有重力的作用
这种情况，是在所有的螺栓预拧后，保证变压器与车体底架相接触上，撤走气垫船。在此基础上，在M20的螺栓上施加275Nm的力矩。因此，计算过程中，载荷的加载过程可分为以下三个步骤：
Step 1: 先对长套块施加重力。
根据公司提供的变压器安装的相关技术资料可知：变压器总重6.3吨，需要8个安装吊座进行安装，共16个M20的螺栓。则每个螺栓受的重力为：
6.3吨×1000千克/吨×9.8N/kg=61740（N）
61740N/16螺栓=3858.75（N/螺栓）
取为3860 N作为每个螺栓承受的重力进行加载。
Step 2: 在重力作用下，对螺栓施加275Nm的拧紧力矩。
Step 3: 去掉扭矩，在保持重力作用。此时的预紧力即为该加载过程的预紧力。
(2)初始加载状态下没有重力的作用
这种情况，是在所有的螺栓预拧后，保证变压器与车体底架相接触上，并保持气垫船的支撑，在螺栓上施加275Nm的力矩。扭矩施加完成后，再撤走气垫船，此时，变压器本身的重力才作用螺栓上。在计算过程中，其加载过程也可分为三个步骤：
Step 1: 先施加275Nm的扭矩；
Step 2: 去掉扭矩；
Step 3: 施加3860N的重力。
2 大部件扭矩施加过程仿真
(1)在拧紧时先有重力的情况下
根据事先定义的节点组，利用Abaqus的后处理程序，提取各接触点的接触应力，并计算出螺栓和长套块之间的接触力如下：
即在事先有重力的情况下，对变压器大部件施加275Nm的力矩，则最后在螺栓内形成104970.4754 N的预紧力。
(2)在拧紧时没有重力的情况下
提取各接触点的接触应力，并计算出螺栓和长套块之间的接触力如下：
即在事先没有重力的情况下，对变压器大部件施加275Nm的力矩，则最后在螺栓内形成108211.4771 N的预紧力。
(3)在拧紧时有、无重力作用的情况下的预紧力对分析
可以看出，在变压器拧紧时，有、无重力的情况下施加扭矩，对最终预紧力的影响不大，二者的差别在3%之内。
考虑到拧紧工艺要求的3%的误差，有重力下的扭矩施加是可以的。需要说明的是：本结论是以有限元数值仿真为基础得出的。二者在计算过程中，所使用的材料、几何、边界条件等模型和定义完全一致，仅在加载顺序上存在差别，因此对比不同加载过程的方案结果的比较，是可信的。
3 结语
本文通过分别在有无应力状态下使用有限元分析方法对大部件吊装螺栓进行仿真，得出螺栓预紧力与应力状态无关系，故做出在实际生产中对大部件吊装螺栓施加扭矩时可将气垫船撤下并减少螺栓与螺纹接触面间摩擦系数的结论，对实际生产过程起到指导作用，保障了高速动车组生产的质量。
参考文献
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