双层槽钢结构钾钉传力分析与优化沈光烈'，陈旭农2,李江柳2,角剑涛2(1.广西工学院，广西柳州545006；2,柳州五菱汽车有限责任公司，广西柳州545007)摘要：在研究钾钉连接传力特征的基础上，讨论了用钾钉连接的双层槽钢柔的设计问题，文中给出的结论，既有理论的进步，又对实际设计工作有具体指导意义。关键词：汽车车架；钾钉连接；有限元法；双层槽钢中图分类号:U463.32文献标识码：A文章编号：1004-2148(2002)02-0023-05刖吕近年来，在国内外多种中、重型汽车上应用了双层槽钢车架纵梁。但由于对用钾钉连接的双层槽钢的传力特征认识不足，忽略了钾钉连接的影响，而将双层槽钢看成是整体截面用梁单元或壳单元进行计算，导致出现了计算应力比实际应力偏低的现象，使一些车架出现早期断裂现象和车架材料用量过大现象，提高了生产成本和汽车自重。本研究指出，用饬钉连接的双层槽钢车架，内层槽钢受力参与程度不足，不符合梁理论中梁横截面平面变形的假设。提出内层槽钢的应变能与结构整体总应变能的比例作为定量指标来评价结构中部分材料的参与程度。应用该项指标作为优化的目标函数，对此类结构进行的设计可以较好地确定侨钉的布局与间距,并使强度与刚度指标有明显的改进。本研究提岀的原则和方法有理论上的进步，对此类结构设计有实际的指导意义。1钏钉连接传力特征的分析材料力学中梁的理论以及有限元法的空间梁单元理论都是建立在梁弯曲时横截面保持平面这一假设的基础之上。该假设称纳维什(Navier)假设。L・纳维什(LouisNavier1785〜1863)用这个假设得出了最初完善的梁的应力理论，为以后力学的进步打下了基础。但实际应用中，双层槽钢梁外层受力变形后，通过饬钉将弯矩传递给内层槽钢。用低刚度的钾钉，使大刚度的内层槽钢横截面产生符合平面假设的变形，理论和实际上都有很大的差距。为了研讨钢钉传力的特征，本文首先设计了长度为500mm的悬臂梁，在自由端通过钏钉传力。整个结构用壳单元离散，在外层槽钢与柳钉之间建立起刚性联系，给定一个强迫转角位移，进行计算。图1给出Mises应力三维云图，从图中可看岀，传力路线从伊钉开始，向上下翼板和腹板的交界棱线发展,高应力区仅占翼板的很小棱线发展，高应力区仅占翼板的很小部分，且离钾钉越远越小，应力分布完全不符合平面假设。为了更进一步从数量上分析，计算了悬臂梁在两种情况下的应变能密度。①梁自由端横截面刚性的转动1°强迫位移。②梁自由端仅通过两个钏钉给定1°强迫位移。■图1锣钉传力路径图图2、图3给岀了二种情况下的应变能密度沿作表皴介:沈光烈(1942-).男•现为广西工学院教授、擲州五菱有限责任公司待啊专家;陈旭农、李江柳、闫剑痔均为柳州五菱汽车有限贵任公司工程师•现在柳州五菱汽车有限责任公司技术中心从爭CAE有限元分析工作・收稿日期：2002-02-01修订日期：2002-04-12梁轴线分布的曲线图。从图2可看出，当自由端截面按平面假设整体转动时，沿整个轴线长度上，应变能密度量等值分布,说明整个梁呈理想的纯弯曲状态。从图3可看出，在饬钉所在的截面，因应力集中形成了一个应变能密度峰值，而沿梁轴线，离钏钉距离越远则应变能密度越小，对应同一截面,应变能密度在通过钾钉传力时，明显低下，与自由端截面整体转动相比仅为其30%〜50%。说明通过钿钉连接时，传l.jo^oooil.oo^axrsOO-ODI^6.8-00T4.00-001"8叫如《?3^皿5•吧二心Qtfd!.3图3梁自由竣仅通过两个績钉给定1°强迫位移，应变能密度沿梁轴线的分布规律图2双层槽钢钾钉连接合理布局的研究如上所述，钾钉连接时，内层槽钢不能充分参与受力，虽然为了说明问题仅用了一对伊钉，但其结论则说明了铮钉连接时不能将内、外层槽钢当作整体看待。从参阅过的文献看，国内目前车架结构强度计算主要有三种计算模型:①仅考虑车架纵梁的弯曲强度，用材料力学梁的理论进行计算〔】~巳②按有限元空间梁单元进行离散，可以计算车架弯曲工况与扭转工况的强度〔一口。③对一些重型汽车车架完全离散成壳梁单元进行计算”7叮。从目前的方法来2分方数据看，均不能很好地解决双层槽钢用钢钉连接时的设计计算问题。为了探讨不同计算模型对计算结果的影响，给岀合理的侨钉连...