在机械类产品的设计过程中，对产品的强度分析及动态特性的验证是必不可少的环节。建立虚拟样机进行有限元仿真分析可以发现机械产品的薄弱部位，仿真结果可以为产品的改进作参考。对机箱进行有限元分析，计算内容不仅要包括板梁结构的强度及动态特性，也包括对螺钉连接强度的验证。以往为了计算机箱的结构强度，在建模时将螺钉简化为梁单元或刚性单元，并未对螺钉连接的强度及疲劳特性进行验证。文献对螺钉进行了有限元建模及强度分析，建模过程中涉及到接触的定义、预紧力的施加及载荷步的施加，整个建模及计算过程较复杂。在分析机箱强度时，依据标准EN12663-1-2010《铁路应用设施-铁路车辆车体的结构要求-机车和客用车》给机箱施加冲击载荷及疲劳载荷，在计算过程中可以提取出螺钉两端的作用力，然后根据螺钉应力计算的经验公式对螺钉进行强度校核，分析螺钉连接是否符合设计要求，分析结果可为机箱的优化及设计提供参考。
      本研究计算对象选取悬挂于城市轨道交通车辆底部的某型号电子元器件机箱。箱体外形最大外形尺寸560mmX236mmX260mm，机箱侧板组件及零件使用的材料牌号为SUS304，底板的材料牌号为6061，散热器使用的材料牌号为6063T6。散热器组件与侧板组件通过16个M4X12的十字槽盘头组合螺钉连接，螺钉的等级为8.8级。底板与侧板组件通过22个M4X16内六角圆柱头螺钉连接，螺钉等级为8.8级。机箱材料属性如表所示。
      根据机箱的结构特点，建立机箱的有限元模型。建模时去除了较小的圆角、倒角等细节，去除了非承载部件，将非承载部件的质量分配到散热器上。机箱内部设备采用质量单元连接在实际的安装位置上，机箱整体结构采用壳单元进行离散，离散后节点数为61865个，单元数为47990个。机箱有限元模型如图所示。螺钉的连接方式如图2所示。螺钉采用梁单元进行模拟，梁单元的直径为螺钉的小径。螺钉的有限元模型如图所示。螺钉在散热器上的分布及编号如图所示。
      根据标准EN12663-1-2010 “设备静载荷”表，P-II类得到机箱受到的校验载荷加速度。机箱的校验载荷工况见表，其中根据标准EN12663-1-2010，P-II类得到疲劳载荷加速度。据此可以得到机箱的疲劳载荷工况。根据各载荷工况作用力的方向，得到疲劳载荷工况。本节对散热器组件的螺钉及螺纹进行应力计算，计算方法参考《紧固件手册》。根据标准GB/T196-2003《普通螺纹基本尺寸》，普通螺纹的牙型图如图所示，M4的螺纹参数见表。根据GB/T3098.1-2000，8.8级M4螺钉的物理和机械性能见，螺钉在装配连接时需要有一定的预紧力，存在拉伸载荷及剪切载荷，螺钉连接的主要失效形式为螺钉光杆剪切面处因拉力和剪力复合而断裂。
      根据表的载荷工况给机箱施加载荷进行计算，导出各个螺钉的轴向力，通过比较得出最大的螺钉轴向力。校验载荷工况4下螺钉6的轴向力最大为29.50N。则由式得：将以上螺钉应力计算结果汇总，汇总结果见。由表可知，螺钉在最大轴向载荷情况下的各种应力都小于相应的许用应力，因此螺钉连接的强度合格。在车辆运行时，安装在车体底部的机箱承受着交变载荷，此时，机箱上的螺钉也受此影响，那么，其失效形式可能包括疲劳破坏。由此，螺钉强度分析除了用最大载荷进行静强度分析外，还须进行疲劳强度分析。在多种分析螺钉疲劳强度的方法中，选择应力幅方法来计算安全系数。受轴向载荷的紧螺钉联接，当其受到交变载荷时，根据下列方法对螺钉的疲劳强度进行校核。按照疲劳工况对机箱进行有限元计算，得到各个螺钉的轴向力。按照工况组合，将工况1与工况8的轴向力相减，工况2与工况7的轴向力相减，工况3与工况6的轴向力相减，工况4与工况5的轴向力相减，通过比较得到最大轴向力之差为3.674N，故螺钉的疲劳强度合格。
      通过分析可以得出，螺钉连接的强度合格在使用过程中不会失效。将有限元计算与螺钉的应力计算相结合，解决了机箱强度分析中螺钉应力计算较困难的难题，其分析过程可以为工程分析提供参考。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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