軌道車輛彎曲門板固化壓力分析研究

王孜凌 譚文才

摘 要：目前我國高速鐵路和城市軌道交通發(fā)展很快，為提高門系統(tǒng)生產(chǎn)效率，對軌道車輛門系統(tǒng)的關鍵部件彎曲門板固化采用了疊加固化新工藝。該文利用ANSYS/LS-DYNA軟件，以一個地鐵項目乘客室門板為例，分析了影響固化質(zhì)量的主要影響因素——固化壓力，得到了減少門板疊加固化時門之間的間隙并接近0的所需外加壓力，并選擇了兩條地鐵線進行檢驗，證明了分析方法的可行性。

關鍵詞：彎曲門板 工藝 疊加放置 溫度控制 固化壓力

中圖分類號：TB114.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）04（b）-0069-02

該文利用以有限元分析法中的顯式非線性接觸分析方法為核心內(nèi)容的ANSYS/LS-DYNA軟件[3]，以某地鐵項目乘客室門板為例，建立疊加固化的門板模型，進行疊加固化壓力模擬，得到最下面的門板之間間隙為0 mm時所需的最小外加壓力，并保證門板粘接固化后的輪廓度小于2.5 mm；并對天津、武漢兩條地鐵線乘客室門板進行試驗及檢測，來證明分析方法的可行性，從而為實際生產(chǎn)提供技術依據(jù)。

1 疊加固化壓力分析方法概述

某地鐵項目乘客室門板參數(shù)：長2 046 mm，寬805.5 mm，門板厚度32 mm，外圓弧半徑1 000 mm，圓弧對應角度11.12°（誤差±0.07°）。一批次疊加固化的門板數(shù)量為6扇。

通過分析計算得到門板疊加后的間隙為0.15 mm；根據(jù)公司門板通用技術條件，門板輪廓度有±0.5 mm的允許誤差，因此最大間隙將達到1.15 mm?？紤]上述極端的工況，即以每塊門板均有±0.5 mm的極限輪廓度誤差來建立有限元模型進行分析，依次疊加6套門板。

彎門疊加固化要滿足的要求，實際上就是通過加壓使門板變形后消除間隙，從而實現(xiàn)貼合表面壓力的傳遞。使間隙消除的最小壓力P0即為彎門固化需施加的外壓力，再考慮門板的角度，施加的壓力P應等于P0/cos（11.12°/2）。

為了精確模擬間隙的消除，需要非線性接觸分析，考慮到模型大接觸面存在難以收斂等問題，用實體塊代替門板，保留門板主要零部件。通過分段調(diào)整實體塊的彈性模量，使其在同等約束及加載條件下，與真實門板變形一致，即擬合原始門板的剛度；再采用實體塊進行固化壓力的分析，減小模型計算量。由于ANSYS隱式非線性分析也存在難以收斂的問題，采用顯式非線性接觸分析方法，即利用ANSYS/LS-DYNA軟件分析計算疊加固化壓力。

2 疊加固化壓力模型計算

2.1 建立門板模型

保留門板主要零部件，即門框型材及鋁蜂窩。代替的實體塊分為4段，采用不同的彈性模量，擬合原始門板的剛度，以相對應位置的10個節(jié)點的變形量作為評價指標。

對于原始門板，主要是鋁型材和鋁蜂窩。對以鋁型材作的門框，彈性模量為0.7e11Pa；對以蒙皮和蜂窩夾層構成的鋁蜂窩，彈性模量為7.55e9Pa。對于簡化實體塊，采用湊數(shù)的方式，分別微調(diào)4段實體的彈性模量。

采用四點鉸支約束，原始門板以及簡化實體塊的約束位置需相同。并且在同一位置處施加同等大小的壓力。

利用ANSYS/LS-DYNA軟件進行試算，取彈性模量為1.235×1010 Pa時，對原始門板、簡化門板各10個節(jié)點的相對應變形量較為一致，差值基本都在0.01 mm以下，因此，可以用簡化后的門板模型進行固化壓力模擬分析計算。

2.2 計算疊加固化壓力

相對于門板，上下壓模可視為剛體，即認為不產(chǎn)生變形。根據(jù)疊加的門板數(shù)為6扇，以最下方的外側輪廓度，由下往上依次偏置1個門板厚度，得到一個弧度最小的輪廓，以此輪廓設計上壓膜。此時，才能一層層使門板貼合。

由于門板有±0.5 mm的極限輪廓度誤差，采用間隔放置，即﹢0.5 mm、﹣0.5 mm、﹢0.5 mm……門板依次放置，形成間隙。包括上下壓模形成的空隙，有3組空隙在中間，4組空隙在兩端。其中，中部的空隙最大，達到1.15 mm。

要使間隙消除，實際上就是通過壓力使該處間隙上方的門板整體產(chǎn)生變形，因而位置越下的間隙，其上方的門板越多，抗彎剛度越大，消除間隙越困難。所以，只要最下方的間隙消除，其他間隙就能夠消除。

利用ANSYS/LS-DYNA軟件分析，必須根據(jù)實際材料的屬性設置，包括密度、彈性模量等，否則將得到不真實的接觸力。門板壓模為鋁，彈性模型為0.7e11Pa。分析計算時，通過逐漸增加外壓力（載荷），發(fā)現(xiàn)當表面施加壓力為150 kPa時，最下方門板中間的間隙剛好消除。

由上述得到，最下方門板之間的間隙最大，達到1.15 mm，要使固化壓力滿足要求，即需要克服門板的剛度，使門板變形從而消除間隙。利用ANSYS/LS-DYNA軟件分析，載荷△P加大至150 kPa，間隙剛好消除，此時圓弧段表面剛接觸，表面間相互作用力為0；而門板直線段由于與壓力方向成5.56°的夾角，故外加壓力為P=△P/cos（5.56）=151 kPa。

3 彎曲門板疊加固化試驗驗證

根據(jù)上述的有限元分析，如果采用6扇門板疊加固化的方法進行門板粘接固化生產(chǎn)，需要計算設備對門板施加的壓力參數(shù)。為了驗證理論計算的正確性，我們選擇了天津地鐵1號線加車和武漢地鐵1號線二期兩種乘客室門板分別進行了試驗，經(jīng)過計算，門板之間的間隙均小于0.17 mm，可以采用6扇門板疊加固化的方式；在固化6扇彎曲門板時施加的壓力為151 kPa。

我們對經(jīng)過疊加固化的6個批次的36扇門板進行了檢測，其門板輪廓度情況見表1。

從表1可以看出，采用疊加固化工藝生產(chǎn)的門板，門板輪廓度為1.169～2.377 mm，完全達到公司對門板的技術要求。

4 結語

固化壓力是彎曲門板疊加固化影響固化質(zhì)量的重要因素，其數(shù)值直接與實際生產(chǎn)有關。該文通過建立門板模型，利用以有限元分析顯式非線性接觸分析方法為核心的ANSYS/LS-DYNA軟件，確定彎曲門板在固化時應施加的壓力值；選擇了兩種彎曲門板進行了包括施加固化壓力的疊加固化試驗，對固化后的門板輪廓度進行了檢測，檢測結果表明各項技術指標均達到了產(chǎn)品所需的要求，說明該文采用的固化壓力分析方法可行、可靠。

參考文獻

[1] 熊臘森.粘接手冊[M].機械工業(yè)出版社，2008：7-338.

[2] 馬長福.簡明粘接技術手冊[M].上海科學技術文獻出版社，2012.

[3] 李裕春.ANSYS10.0/LS-DYNA基礎理論與工程實踐[M].中國水利水電出版社，2006.