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采用這種型式的車架縱梁，可以減少對縱梁生產(chǎn)設(shè)備的要求，也可以適應(yīng)生產(chǎn)變型車的需要。近年來，國內(nèi)外多種中、重型汽車車架均采用雙層槽鋼縱梁。但是，由于設(shè)計(jì)中對用鉚釘連接的雙層槽鋼的傳力特征認(rèn)識(shí)不足，使得一些車架出現(xiàn)早期斷裂現(xiàn)象，或使車架材料用量過多，增加了生產(chǎn)成本和汽車質(zhì)量。

作者經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，雙層槽鋼的車架用鉚釘連接時(shí)，內(nèi)層槽鋼受力參與程度不足，不符合梁理論中梁橫截面平面變形的假設(shè)，用常用的梁理論計(jì)算會(huì)使計(jì)算應(yīng)力比實(shí)際應(yīng)力偏低，從而導(dǎo)致車架剛度強(qiáng)度不足。針對以上問題，作者進(jìn)行多種鉚釘布局及間距方案的比較分析，給出合理的計(jì)算模型及鉚釘連接的設(shè)計(jì)方案，對此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的幫助。

2 鉚釘連接傳力特征的分析

材料力學(xué)中梁的理論以及有限元法的空間梁單元理論都是建立在梁彎曲時(shí)橫截面保持平面這一假設(shè)基礎(chǔ)之上[3] ，該假設(shè)稱納維什（Navier）假設(shè)。但是，這個(gè)假設(shè)并非對任何結(jié)構(gòu)型式的梁都適用，并使計(jì)算誤差保持在工程上可以接受的誤差范圍之內(nèi)。

雙層槽鋼梁外層受力變形后，它的變形通過鉚釘將彎矩傳遞給內(nèi)層槽鋼。鉚釘?shù)膭偠扰c內(nèi)層槽鋼整個(gè)截面的剛度相比是非常小的。一般來說，車架縱梁的同一截面上僅用2 個(gè)低剛度的鉚釘連接傳力，要使大剛度的內(nèi)層槽鋼橫截面產(chǎn)生符合平面假設(shè)的變形，從理論和實(shí)際上都是難以實(shí)現(xiàn)的[1-6] 。

為研究鉚釘傳力的特征，作者首先設(shè)計(jì)長度為500mm的槽形截面懸臂梁，在自由端通過鉚釘傳力。整個(gè)結(jié)構(gòu)用殼單元離散，在外層槽鋼與鉚釘之間建立剛性聯(lián)接，給定一個(gè)強(qiáng)迫轉(zhuǎn)角位移，進(jìn)行計(jì)算。圖1表示Mises應(yīng)力三維云圖，從圖中可以看出，傳力路線從鉚釘開始，向上下翼板和腹板的交界棱線發(fā)展，高應(yīng)力區(qū)僅占翼板的很小部分，且離鉚釘越遠(yuǎn)越小，應(yīng)力分布也完全不符合平面假設(shè)。為更進(jìn)一步從數(shù)量上分析，需計(jì)算懸臂梁在2種情況下的應(yīng)變能密度: （1） 梁自由端橫截面剛性轉(zhuǎn)動(dòng)1°強(qiáng)迫位移;（2） 梁自由端僅通過2個(gè)鉚釘給定1°強(qiáng)迫位移。

圖2和圖3分別表示在這2種情況下的應(yīng)變能密度沿梁軸線分布的曲線圖。從圖2可明顯看出，當(dāng)自由端截面按平面假設(shè)整體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，沿整個(gè)軸線長度上的應(yīng)變能密度量等值分布，說明整個(gè)梁呈理想的純彎曲狀態(tài)。從圖3可看出，僅鉚釘所在截面，因應(yīng)力集中形成一個(gè)應(yīng)變能密度峰值，而沿梁軸線，離鉚釘距離越遠(yuǎn)則應(yīng)變能密度越小。從數(shù)量上看，對應(yīng)同一截面，應(yīng)變能密度在通過鉚釘傳力時(shí)，僅為自由端截面整體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的013～015左右。圖2和圖3 的曲線從能量角度定量地說明通過鉚釘連接時(shí)，傳力程度不足，完全不符合梁平面變形的假設(shè)。

3 雙層槽鋼鉚釘連接合理布局的研究

為探討不同計(jì)算模型對計(jì)算結(jié)果的影響，給出合理的鉚釘連接設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)如圖4、圖5表示的雙層槽鋼縱梁受力及截面結(jié)構(gòu)圖，用不同的計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，為此建立2種有限元模型。

（1） 不考慮鉚釘因素，將雙層槽鋼看成整體結(jié)構(gòu)，用一層梁單元、一層殼單元與一層體單元計(jì)算。

（2） 考慮鉚釘?shù)淖饔?，將結(jié)構(gòu)離散成雙層殼單元，各層之間僅在鉚釘處相連，分別在腹板上或翼板上按100、200、400、500和800mm間距布置鉚釘。

作者在研究中采用MSC /NASTRAN及其前后處理軟件PATRAN作為分析工具。

4 計(jì)算結(jié)果分析

利用MSC /NASTRAN軟件計(jì)算出各種情況下的位移與應(yīng)力。為便于比較各種情況下的位移與應(yīng)力，排除殼單元受力處局部變形的影響，并使不同單元下計(jì)算的結(jié)果具有可比性，取腹板下沿區(qū)域Y方向（垂直方向，見圖4）的最大位移及應(yīng)力（V·Mises應(yīng)力）進(jìn)行比較。

4.1 位移結(jié)果分析

根據(jù)不同單元計(jì)算出來的腹板下沿區(qū)域Y方向的最大位移見表1。

當(dāng)作為梁單元計(jì)算時(shí)，得到的最大位移與我們利用梁的經(jīng)典理論計(jì)算得到的撓度是一致的。但作為一層體單元、一層殼單元計(jì)算則位移值偏大。

從表1可知，根據(jù)雙層殼單元計(jì)算，當(dāng)采用鉚釘連接時(shí)，鉚釘?shù)拈g距與鉚釘?shù)奈恢枚加绊懥旱膭偠取：侠淼夭贾勉T釘對提高梁的剛度與利用率都很重要。表1也可直觀地說明以下問題。

（1） 在相同鉚釘間距下，雙層槽鋼在腹板處連接的剛度比在翼板處連接的剛度要大，特別是隨著鉚釘間距的增大而變得更加明顯。

（2） 當(dāng)鉚釘同在腹板或翼板上時(shí)，隨著鉚釘間距的增大，槽鋼的剛度越來越小。

（3） 通過鉚釘連接的雙層槽鋼的剛度比相同厚度的單層槽鋼的剛度要小。

4.2 應(yīng)力結(jié)果分析

通過MSC /NASTRAN計(jì)算各種情況下的應(yīng)力輸出，下面通過幾種典型情況來分析說明。

從圖6和圖7的Mises應(yīng)力云圖看出，當(dāng)鉚釘間距為100mm時(shí)，內(nèi)層槽剛翼板高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力傳遞基本連續(xù)，但其腹板處應(yīng)力與外層相比則明顯偏低。

從圖8和圖9的Mises應(yīng)力云圖可發(fā)現(xiàn)在相同區(qū)域上，當(dāng)鉚釘間距為400mm時(shí)，內(nèi)層槽鋼翼板高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力傳遞比鉚釘間距為100mm時(shí)明顯不連續(xù)，且在鉚釘連接處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，內(nèi)層槽鋼沒有充分參與受力，導(dǎo)致外層槽鋼最高應(yīng)力上升。

對于鉚釘布置在翼板時(shí)，應(yīng)力分布也有相似的情況（限于篇幅，應(yīng)力圖沒有列出） 。但由薄壁桿系結(jié)構(gòu)力學(xué)可知，槽形截面梁在經(jīng)受彎扭聯(lián)合作用時(shí)，最大正應(yīng)力發(fā)生在翼板邊緣上。當(dāng)在翼板上用鉚釘連接時(shí)，鉚釘孔會(huì)削弱截面的強(qiáng)度使應(yīng)力更高，因此不是一種好的方案。

5 結(jié)論

（1） 雙層槽鋼鉚釘連接不能簡單當(dāng)作連續(xù)截面處理。隨著鉚釘間距的增大，雙層槽鋼鉚梁的剛度隨之下降。

（2） 當(dāng)雙層槽鋼用鉚釘在腹板連接時(shí)，內(nèi)層槽鋼腹板的應(yīng)力比外層槽鋼腹板的應(yīng)力明顯偏低，外層槽鋼腹板上的剪力不能有效地向內(nèi)層槽鋼傳遞。

（3） 在翼板上用鉚釘連接的梁，鉚釘處應(yīng)力集中程度較高，從總體上看，應(yīng)力也高于在腹板處用鉚釘連接的梁。

（4） 內(nèi)層槽鋼在鉚釘間距為100mm時(shí)，翼板傳力連續(xù)，整個(gè)翼板充分參與受力，而當(dāng)鉚釘間距大于100mm時(shí)，在翼板處明顯出現(xiàn)傳力斷續(xù)現(xiàn)象，應(yīng)力集中也明顯上升。

（5） 當(dāng)雙層槽鋼用鉚釘連接時(shí)，在鉚釘連接處應(yīng)力集中，在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮這些因素。

（6） 優(yōu)化設(shè)計(jì)的車架經(jīng)柳州汽車廠多種型號(hào)的重型汽車使用證明，該車架性能優(yōu)良。

（轉(zhuǎn)載）