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李 韬，赵军涛，杨甲申 摘 要：通过螺栓螺纹简化建模和添加预紧力单元实现了接触网定位线夹组合体的强度模拟计算和数据分析，得出了螺栓预紧力矩是引起定位线夹破坏的主因，并建议在有关标准中将螺栓预紧力矩限制在25 N·m以下。 关键词：定位线夹；接触单元；预紧力 0 引言定位线夹是电气化铁路接触网的关键零部件之一，在接触网系统中上接腕臂管前端，下连接触线，其应用数量巨大，正常工作中既承受结构载荷，又受各种自然环境因素如风雨、温度、腐蚀等影响。定位线夹不能简单看作由螺栓连接紧固的简单装配体，需要通过数据模拟、计算分析组合件是否达到预期的紧固和承受各项载荷的性能效果，模拟分析时所建模型中需要包含接触、预紧、摩擦效应的3-D螺栓模型。因此对定位线夹进行整体模拟分析并详尽考虑螺纹连接模型很有必要。 保证数据的真实有效性，网络数据每时每刻都在发生变化，随着时间的推移，网络数据不断增加，数亿量级的网络数据，如何保证此时的数据真实有效是大数据智慧城市建设需要解决的问题之一。 在对定位线夹组合体建模处理分析螺栓连接过程中，利用通用有限元计算软件Ansys提供的螺纹截面法（Bolt Section Method）简化建模及预紧力专用单元（PRETS179）传递预紧力载荷，可获得接近实际的准确数据。 1 定位线夹结构处于工作状态的定位线夹如图1所示，由主板、副板及螺栓、螺母、弹簧垫圈组成，其下部夹持标准TCG-110接触导线。主板中心有固定用空心圆柱，两边有M10螺纹孔，内侧靠上有凸起的半圆柱横条；副板中间上部空置，两边有通孔；主、副板下沿类似齿形凸起，安装时凸起的两下沿嵌入标准接触线截面上部的凹槽（凹凸截面尺寸设计完全匹配），2个M10螺栓穿过副板与主板螺纹连接，给主、副板施加永久预紧力，外侧螺母主要起防松作用。  图1 工作状态的定位线夹模型 定位线夹结构左右对称，模拟分析中需考虑弹簧垫圈两侧、主板凸起圆柱面与副板平面、螺栓螺纹区与主板螺孔和接触线两侧存在的6个摩擦接触对（FCP，frictional contact pairs），对划分单元后的结构从过螺栓中心线垂直剖视，如图2所示，图中双箭头表示螺栓预紧力FY。  图2 定位线夹单元模型剖视 2 模型建立创建由标准M10螺栓连接的主、副板及被夹持的接触线组成的夹板模型。总体坐标系原点取中心圆柱下端截面圆心向外2 mm处，YOZ面与结构对称面重合，X轴沿夹板长度方向，Y轴向上。 2.1 创建主板、副板和螺栓模型采用3维8节点实体单元建立主板、副板和螺栓模型。主板外侧的M10螺母主要起防松功能，对夹板组合体强度影响不大，分析时可忽略。采用螺栓截面法，以相应直径的光滑圆柱取代螺栓，主板上的螺纹孔也简化为圆柱孔。组合体一半共划分实体单元567 184个。 2.2 建立螺栓预紧力作用截面预紧力是定位夹板螺栓连接组合体结构模拟的关键要素。该组合体中预紧力始终保持作用并传递载荷。预载荷使主、副板紧固以夹持接触线。螺栓预紧力模拟是通过假设将螺柱模型切成2段，且2段间互相拉伸实现的，如图2中双箭头所示。 2017年河北省非油气持证矿山较上年减少139个(其中，大型增加28个，中型增加1个)；煤矿数量减少36个(其中，大型与上年相同，中型减少6个)；铁矿数量减少9个(其中，大型增加1个，中型增加2个)。 在通用FEA分析计算软件Ansys中，结构紧固件如螺栓的预紧力可通过2个步骤施加：首先对螺栓进行网格划分，使用程序语句PSMESH或GUI格式在螺柱上选定的预紧力截面插入专用预紧单元PRETS179；再用程序语句SLOAD或GUI格式施加具体载荷，本例中程序给出螺栓截面3D预紧力单元222个。 2.3 创建接触对如图2所示，依据实际情况，模型中设定了6组摩擦接触对（FCP）以模拟零件互相接触。铜与不锈钢间摩擦系数取0.17，铜与铜间摩擦系数取0.20。3-D实体单元模型中接触区用面接触单元CONTA174再划分；相应目标面用TARGE170（3-D）划分，产生3D面接触单元27 272个（除螺纹区外），并设定增强拉格朗日算法。 2.4 螺纹区接触对定义采用螺栓截面法直接在螺纹啮合区圆柱面上再生成接触单元CONTA174（3-D），即螺栓上原螺纹区被简化为相应直径的圆柱面并设定为面接触单元，接触区域依据螺纹几何数据和螺纹区端点参数参与计算。同样，目标单元TARGE170（3-D）在主板螺孔内壁圆柱表面生成，即接触面和目标面均以相应位置的光滑圆柱面简化模拟。截面参数程序语句SECTYPE和SECDATA用来定义接触对参数。螺纹区产生3D面接触单元4 128个。 便利店里，一个三四岁大的小男孩要吃薯片，他见妈妈不同意就一直闹，后来他妈妈有点生气了，说：“你再这样我就不喜欢你了！”结果那个小男孩说：“那没关系，不管你喜不喜欢我，我都会一直喜欢你。”然后我就看到他妈妈去拿了四五包薯片。 4.猪痢疾。由肠道内猪密螺旋体与肠道内厌氧菌相互作用而发病。多发生于7～12周龄的仔猪。发病初期体温达40℃～41℃，排黄色或灰色软便，不久减食，后期粪便呈水样，常混有血液、粘液及黏膜，使粪便呈油脂样或胶胨状。病猪食欲减退，迅速消瘦，因脱水衰竭而死。 与以真实3D螺纹几何形状模拟的螺纹区接触对比较，螺栓截面法建模不仅计算可靠准确，而且降低了约90%的资源占用和计算时间。 科研成果转化率是衡量科研创新成果转化为商业产品的指数，据有效数据统计，我国的高校科研成果转化率约为10%，高职院校的科研成果转化率就更低了。许多高职院校的科研管理部门，并没有将科研成果转化纳入课题的考核范围，对科研成果的社会服务价值不做具体要求。因此，很多课题在立项的时候便不考虑后续的科研成果转化问题。 与一般接触检测比较，所有接触对使用表面投影接触检测，对被接触面覆盖的单元会产生更为准确的响应。 3 材料特性主板、副板材料为QSiL-3（挤压热处理），弹性模量E = 1.2E5 MPa，波松比μ = 0.35；取接触线材料特性与主、副板一致。 螺栓为06Cr19Ni10不锈钢，弹性模量E = 2.0E5 MPa，波松比μ = 0.3。 4 边界条件和载荷现行电气化铁路接触网零部件标准对定位线夹的性能要求：螺栓紧固力矩25～32 N·m，最大工作荷重2.5 kN，滑动荷重不小于1.5 kN，水平破坏荷重不小于7.5 kN。工作时线夹通过中心销孔被固定在腕臂前端的销柱上，显然除预紧力外，线夹承受的其他载荷均经由接触线作用。 根据《机械设计手册》（化工版，2007），螺纹（公称直径d）拧紧力矩T与被连接件之间产生的预紧力F的关系式为：T = 1.25μFd，μ = (μ1 + μ2)/2，μ1、μ2为2个摩擦副的摩擦因数。代入相关参数可得对应上述力矩线夹所承受螺栓预紧力在10.81～13.84 kN之间。 在夹板中间对称面上施加对称位移约束，在中心孔内壁施加固定约束，按3种工况分析计算。 工况1，上述约束不变，只有最小螺栓预紧力Fy = 10.81 kN作用； 工况2，保留工况1的约束和载荷，在接触线外端面施加沿X向水平力1.5 kN，在接触线上施加垂直向下均布力，合力2.5 kN； 工况3，保留工况2的约束和载荷，在接触线上施加沿Z向的水平均布力，合力7.5 kN。 5 结果数据分析采用通用有限元软件Ansys求解选项中激活大变形效应，分3步载荷完成非线性静态求解。 工况1时线夹应力分析部分结果如图3—图5所示。将3种工况下主、副板变形矢量和的最大值U，除去应力集中处以外的von Mises应力sv最大值和主、副板接触边沿产生应力集中处的von Mises应力svj最大值摘出列于表1和表2。 表1 主板变形和应力  工况变形矢量和U/mmvon Mises应力σv (max)/MPa应力集中处von Mises应力σvj(max)/MPa 10.057 2508.8887.2 20.082 3545.8871.6 30.086 9957.91 015.3 表2 副板变形和应力  工况变形矢量和U/mmvon Mises应力σv (max)/MPa应力集中处von Mises应力σvj (max)/MPa 10.081 3509.7929.0 20.103 4528.0941.6 30.094 6603.71 004.7  图3 工况1时线夹的Z向变形Uz  图4 工况1时线夹主板的von Mises应力  图5 工况1时线夹副板的von Mises应力 从线夹变形图3看出，在螺栓额定预紧力矩T（25 N·m）作用下，主、副板产生了预期的相向变形。从表1和表2数据及图4、图5应力分布情况看出，变形不是线夹失效的主因。即使仅在最小额定预紧力矩作用下的工况1，除边沿应力集中处以外，主、副板直接接触面上的von Mises应力sv最大值达到500 MPa以上，已接近材料的屈服极限520 MPa；而在正常工作状态下的工况2，应力sv最大值已超过材料的屈服极限。如果拧紧力矩大于25 N·m，线夹上超出屈服极限的应力点会更多。对比3种工况数据可知，和其他外载荷相比，线夹本身所受的螺栓预紧力实际是其最主要的破坏载荷。 模拟数据表明，正常工作情况下，只有主、副板直接接触部位应力较大，由于摩擦力作用，接触线在滑动载荷（1.5 kN）作用下与夹板无相对位移，不会滑脱。在破坏载荷作用下（工况3），主板中间圆柱两侧接缝处von Mises应力达到957.9 MPa。 随着我国改革开放以后国民生活水平的不断提高，劳动人民的工作环境以及工作方式都得到了不同以往的巨大良性变化。加之国民人均寿命的不断延长，我国劳动人民想工作、能工作的欲望和能力都在增长，因此，在延迟退休的基础上，要进行与之相关的养老金和养老保险的配套改革。在人口老龄化加剧的今天，社会保险基金面临的压力不言而喻，延迟退休是国际趋势，想要完成政策目标，同步推进养老金与养老保险的改革势在必行。要从费率与费基以及劳动人民的工作年限、劳动人民的缴费年限以及目前所希望的延迟退休年龄进行综合考虑，完成配套性的改革。 糖尿病(diobetes mellitus)是一组以高血糖为特征的代谢性疾病。高血糖则是由于胰岛素分泌缺陷或其生物作用受损,或两者兼有引起的。糖尿病时长期存在的高血糖,导致各种组织,特别是眼、肾、心脏、血管、神经的慢性损害、功能障碍。糖尿病患者典型的临床症状是“三多一少”,即多饮、多尿、多食和消瘦。常伴发心血管、肾、眼及神经病变。目前,随着人们生活水平的和生活方式的改变,糖尿病已成为发展中国家继心血管疾病、肿瘤之后的第三大非传染病。现抽选我院收治的35例糖尿病患者作为研究对象,以探究生活护理干预在糖尿病临床治疗中的应用价值。 工况1，2，3条件下螺栓的von Mises应力sv最大值分别为373.9，390.9和474.3 MPa，见图6。说明前文所述的预紧力和螺纹区处理方式准确模拟了螺栓的效能。  图6 螺栓上的von Mises应力 6 结语通过本文分析可以看出，定位线夹的主要破坏应力是螺栓预紧力矩引起的，预紧力使夹板局部产生塑性变形，增加了腐蚀、裂纹破坏的风险，因此建议在有关标准中将螺栓预紧力矩限制在25 N·m以下；螺栓截面法处理螺纹连接、添加专用单元处理预紧力等方式进行螺纹连接的组合体模拟分析计算是可行的。 参考文献： [1] 美国ANSYS, Inc.Release15.0《ANSYS Documentation. Mechanical APDL》(2014)，机械设计书册[M]. 北京：化学工业出版社，2007. Abstract: The strength simulation and data analysis are made for realization of OCS steady clamp combination by simplified modeling of bolt and nut and adding pre-tension element, and the conclusion is obtained that the pre-tension torque for bolt and nut is the main causes to induce the damage of steady clamp, and it is proposed that the specification on limitation of pre-tension torque for bolts being lower than 25 N m shall be stipulated into the relative standard. Key words: Steady clamp; contact element; pre-tension 中图分类号：U225.4+8 文献标识码：B 文章编号：1007-936X(2019)03-0061-03 DOI：10.19587/j.cnki.1007-936x.2019.03.015 收稿日期：2019-01-24 作者简介：李 韬，赵军涛.中国重型机械研究院股份公司，工程师； |
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