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在產品的設計過程中，對產品的強度及動態特性的驗證是必不可少的環節。建立虛擬樣機進行有限元仿真分析可以發現機械產品的薄弱部位，仿真結果可以為產品的改進作參考。對機箱進行有限元分析，計算內容不僅要包括板梁結構的強度及動態特性，也包括對螺釘連接強度的驗證。以往為了計算機箱的結構強度，在建模時將螺釘簡化為梁單元或剛性單元，并未對螺釘連接的強度及疲勞特性進行驗證。文獻對螺釘進行了有限元建模及強度分析，建模過程中涉及到接觸的定義、預緊力的施加及載荷步的施加，整個建模及計算過程較復雜。在分析機箱強度時，依據標準EN12663-1-2010《鐵路應用設施.鐵路車輛車體的結構要求.機車和客用車》給機箱施加沖擊載荷及疲勞載荷，在計算過程中可以提取出螺釘兩端的作用力，然后根據螺釘應力計算的經驗公式對螺釘進行強度校核，分析螺釘連接是否符合設計要求，分析結果可為機箱的優化及設計提供參考。
本研究計算對象選取懸掛于城市軌道交通車輛底部的某型號電子元器件機箱。箱體外形最大外形尺寸560mmX236mmX260mm，機箱側板組件及零件使用的材料牌號為SUS304，底板的材料牌號為6061，散熱器使用的材料牌號為6063T6。散熱器組件與側板組件通過16個M4X12的十字槽盤頭組合螺釘連接，螺釘的等級為8.8級。底板與側板組件通過22個M4X16內六角圓柱頭螺釘連接，螺釘等級為8.8級。機箱材料屬性如表所示。根據機箱的結構特點，建立機箱的有限元模型。建模時去除了較小的圓角、倒角等細節，去除了非承載部件，將非承載部件的質量分配到散熱器上。機箱內部設備采用質量單元連接在實際的安裝位置上，機箱整體結構采用殼單元進行離散，離散后節點數為61865個，單元數為47990個。機箱有限元模型如圖所示。螺釘的連接方式如圖所示。螺釘采用梁單元進行模擬，梁單元的直徑為螺釘的小徑。螺釘的有限元模型如圖所示。螺釘在散熱器上的分布及編號如圖所示。
根據標準EN12663-1-2010Part4.5“設備靜載荷”表，得到機箱受到的校驗載荷加速度(見表)。機箱的校驗載荷工況，根據標準EN12663-1-2010Part4.7.3表17-表19，P-II類得到疲勞載荷加速度。據此可以得到機箱的疲勞載荷工況。根據各載荷工況作用力的方向，得到疲勞載荷工況。
本節對散熱器組件的螺釘及螺紋進行應力計算，計算方法參考《緊固件手冊》。根據標準GB/T196-2003《普通螺紋基本尺寸》，普通螺紋的牙型圖如圖所示，M4的螺紋參數見表。根據GB/T3098.1-2000，8.8級M4螺釘的物理和機械性能見表，螺釘在裝配連接時需要有一定的預緊力，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合而斷裂。根據廠方提供的螺釘的擰緊力矩為T=1.9Nm，采用下式可計算得到預緊力：根據表的載荷工況給機箱施加載荷進行計算，導出各個螺釘的軸向力，通過比較得出最大的螺釘軸向力。校驗載荷工況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力條件為：將以上螺釘應力計算結果匯總，匯總結果見表。由表可知，螺釘在最大軸向載荷情況下的各種應力都小于相應的許用應力，因此螺釘連接的強度合格。在車輛運行時，安裝在車體底部的機箱承受著交變載荷，此時，機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，螺釘強度分析除了用最大載荷進行靜強度分析外，還須進行疲勞強度分析。在多種分析螺釘疲勞強度的方法中，選擇應力幅方法來計算安全系數。受軸向載荷的緊螺釘聯接，當其受到交變載荷時，根據下列方法對螺釘的疲勞強度進行校核。按照疲勞工況對機箱進行有限元計算，得到各個螺釘的軸向力。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，通過比較得到最大軸向力之差，為3.674N，故螺釘的疲勞強度合格。
通過上文分析可以得出，螺釘連接的強度合格在使用過程中不會失效。本文將有限元計算與螺釘的應力計算相結合，解決了機箱強度分析中螺釘應力計算較困難的難題，其分析過程可以為工程分析提供參考。
專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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