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螺栓結(jié)構(gòu)作為一種可靠的、實用的連接方式，廣泛運用于各種機械產(chǎn)品中。隨著對連接結(jié)構(gòu)的要求不斷提高，螺栓連接的承載情況變得更加復雜。以軌道車輛為例，由于高速、重載、輕量化的不斷發(fā)展，其結(jié)構(gòu)在疲勞強度分析方面面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，由于疲勞等原因造成失效和破壞的情況也時有發(fā)生，給安全生產(chǎn)和運營帶來很大風險。
螺栓結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞的形式很多，其中螺栓孔孔邊出現(xiàn)疲勞裂紋的情況是較為常見的一種。然而，螺栓孔孔邊的受力的測量受到螺栓頭、螺帽等零件的諸多限制，難以直接得到螺栓結(jié)構(gòu)的應力分布情況。研究針對某軌道車輛螺栓結(jié)構(gòu)的螺栓孔孔邊應力情況進行分析，提出了一種評估螺栓孔孔邊應力的方法。同時，通過有限元分析計算與實際線路試驗的結(jié)果進行對比分析，并對結(jié)構(gòu)的改善提出了建議。
以某軌道車輛閥座螺栓結(jié)構(gòu)為例，圖中所示的螺栓孔孔邊區(qū)域多次出現(xiàn)裂紋。現(xiàn)有的測量方法主要是利用應變片測量孔邊的應力情況，包括動應力、加速度和測點頻譜。通過上述數(shù)據(jù)得到應力譜和等效應力，并對螺栓孔孔邊區(qū)域進行安全可靠性評估。這種方法是進行疲勞強度測試的通用方法，易于操作，方便對結(jié)構(gòu)做出評價。但是，由于螺栓孔邊區(qū)域被螺母或螺栓孔覆蓋，難以得到孔邊的應力情況。
為了探索螺栓孔孔邊應力的基本情況，建立了有限元模型并進行計算。在此基礎上尋找螺栓孔孔邊位置應力分布與便于測量位置的應力情況的關(guān)系，并通過實驗驗證該關(guān)系的正確性。有限元模型的建立根據(jù)該閥座螺栓結(jié)構(gòu)的設計文件建立了有限元模型，使用Hypermesh完成了網(wǎng)格劃分以及相互關(guān)系隊載荷和邊界條件的施加，通過ANSYS完成了有限元計算高度閥螺栓結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖所示。
為了對螺栓以及孔周邊區(qū)域進行詳細的分析，將網(wǎng)格的劃分形式調(diào)整為以螺栓孔為幾何中心的多層放射形狀的、具有中間節(jié)點的六面體單元。同理，對螺栓本身，即螺桿、螺栓頭和螺母部分，進行了相同形式的劃分，并且在位于接觸面的節(jié)點的處理上與螺栓孔孔邊單元的節(jié)點完全重合，為之后創(chuàng)建接觸對，為進行預緊力分析提供較好的基礎。
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