動(dòng)車車窗粘接強(qiáng)度試驗(yàn)裝備設(shè)計(jì)分析

于喜年，林奕含，楊宏澤，張 莎

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動(dòng)車車窗粘接強(qiáng)度試驗(yàn)裝備設(shè)計(jì)分析

于喜年，林奕含，楊宏澤，張 莎

（大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

車窗對(duì)車廂內(nèi)外環(huán)境起連通作用，在保證列車安全性和乘坐舒適度方面具有重要影響。本文以檢驗(yàn)CRH3動(dòng)車組車窗粘接強(qiáng)度為例，選取遞增載荷下試驗(yàn)工況作為模擬研究對(duì)象，在考慮自身重力影響下，利用有限元法設(shè)計(jì)分析窗框與車體粘接強(qiáng)度正推（拉）力試驗(yàn)裝備。結(jié)果表明，施加10 t載荷情況下窗框最大應(yīng)力值超出許用應(yīng)力，故不再添加更大載荷。窗框及Sika結(jié)構(gòu)膠受力均勻，符合車窗試件受力均勻性要求；試驗(yàn)裝備整體最大應(yīng)力值為343.492 MPa，小于材料許用應(yīng)力值，滿足強(qiáng)度剛度要求；三階屈曲系數(shù)均大于2，試驗(yàn)裝備系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。分析結(jié)果為動(dòng)車車窗粘接工藝提供可靠數(shù)據(jù)保證。

動(dòng)車組；粘接強(qiáng)度；試驗(yàn)裝備；Sika結(jié)構(gòu)膠；屈曲系數(shù)

隨著我國(guó)動(dòng)車組技術(shù)不斷成熟，鐵路高速化發(fā)展是大勢(shì)所趨[1]。伴隨列車速度的提高，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的摩擦力及氣動(dòng)阻力將對(duì)車窗產(chǎn)生沖擊力，列車運(yùn)行過(guò)程中，偶有車窗脫落現(xiàn)象發(fā)生，對(duì)旅客出行安全帶來(lái)安全隱患[2]。為檢驗(yàn)CRH3動(dòng)車組車窗粘接強(qiáng)度，有必要設(shè)計(jì)車窗與車體粘接強(qiáng)度試驗(yàn)裝備。試驗(yàn)過(guò)程中如何保證車窗組件受力均勻同時(shí)滿足對(duì)試驗(yàn)裝備的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性要求是關(guān)鍵。應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行有限元模型建立，模擬試驗(yàn)載荷遞增過(guò)程中，車窗與車體以及粘接劑膠體的應(yīng)力、應(yīng)變情況，檢驗(yàn)試驗(yàn)裝備的可靠性。本文僅以窗框與車體粘接強(qiáng)度靜態(tài)正推（拉）力試驗(yàn)裝備設(shè)計(jì)分析展開(kāi)論述。分析結(jié)果為中車集團(tuán)相關(guān)企業(yè)車窗粘接工藝及動(dòng)車參數(shù)制定提供設(shè)計(jì)依據(jù)和數(shù)據(jù)保證。

1 車窗及試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 車窗結(jié)構(gòu)

CRH3型動(dòng)車組車窗為單元式組合結(jié)構(gòu)，采用聚氨酯Sika結(jié)構(gòu)膠與車體空腔型材內(nèi)外弦相連接，如圖1所示[3]。車窗為單框結(jié)構(gòu)，分為玻璃、安裝框及壓條和膠粘劑四部分，其中內(nèi)外兩層玻璃及壓條形成中空結(jié)構(gòu)。內(nèi)、外側(cè)玻璃采用鋼化減速玻璃，安裝框及壓條采用鋁合金材料。試驗(yàn)車窗各材料的物理屬性如表1所示，Sika膠許用應(yīng)變?nèi)”Ｊ刂?0%[4-5]。

圖1 車窗結(jié)構(gòu)及粘接方式

表1 車窗材料屬性

1.2 窗框正推（拉）力試驗(yàn)裝備結(jié)構(gòu)

動(dòng)車車窗粘接強(qiáng)度試驗(yàn)項(xiàng)目包括車窗玻璃與窗框粘接強(qiáng)度以及窗框與車體粘接強(qiáng)度正推（拉）力、剪切力試驗(yàn)等4項(xiàng)內(nèi)容，其中窗框粘接正推（拉）力試驗(yàn)裝備如圖2所示，由底板、固定塊及上拉架組成，各構(gòu)件間均采用螺栓緊固連接，底板與固定塊連接的螺孔設(shè)計(jì)為L(zhǎng)型，并配合活動(dòng)塊，方便拆卸安裝，圖3為窗框夾持底板，固定塊為A、B兩種形式，與底板共同起到夾持車窗窗框作用。根據(jù)固定塊間隙及與底板的固定方式，為避免窗框粘接強(qiáng)度試驗(yàn)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在固定塊間隙內(nèi)添加2個(gè)活動(dòng)塊，裝夾于水平方向固定塊縫隙間，并與底板接觸。固定塊及活動(dòng)塊布置如圖4所示。

圖2 窗框粘接強(qiáng)度正推（拉）力試驗(yàn)裝置

圖3 底板結(jié)構(gòu)圖

圖4 固定塊、活動(dòng)塊布置圖

窗框正推（拉）試驗(yàn)通過(guò)臺(tái)車對(duì)整體裝備施加載荷，根據(jù)載荷加載方式展開(kāi)上拉架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖5所示上拉架由基板、上拉板及中間加強(qiáng)肋組成，基板為與底板連接部位。上拉架與正推（拉）力試驗(yàn)動(dòng)力頭采用高強(qiáng)螺栓連接。

圖5 上拉架結(jié)構(gòu)圖

2 有限元模型

2.1 材料屬性及力學(xué)參數(shù)

由于試驗(yàn)過(guò)程中各連接件傳力較大，因此試驗(yàn)裝備選用屈服強(qiáng)度較高的Q460材料制造，抗拉強(qiáng)度［σ］= 550 MPa，屈服強(qiáng)度［σ］= 440 MPa，許用應(yīng)力［］= 352 MPa。高強(qiáng)螺栓采用42CrMo，抗拉強(qiáng)度［σ］= 980 MPa，屈服強(qiáng)度［σ］= 785 MPa，許用應(yīng)力［］= 548 MPa。整體有限元模型如圖6所示，各構(gòu)件的材料屬性見(jiàn)表2所示。

圖6 窗框正推（拉）試驗(yàn)有限元模型

2.2 邊界條件及加載

本文不考慮列車運(yùn)行過(guò)程中自身晃動(dòng)及風(fēng)載荷影響，窗框粘接強(qiáng)度正推（拉）力試驗(yàn)保持固定狀態(tài)，因此約束車體內(nèi)、外側(cè)平面XYZ方向的旋轉(zhuǎn)及平動(dòng)自由度，確保車體各方向固定。試驗(yàn)動(dòng)力頭通過(guò)試驗(yàn)裝備對(duì)窗框施加正推（拉）載荷，載荷添加在上拉架與動(dòng)力頭連接處，載荷方向?yàn)閆方向正向?？紤]各構(gòu)件自身重力影響，基于車窗垂向傾斜列車軌道平面3°實(shí)際情況，添加重力時(shí)，Y方向參數(shù)為9.787 N/kg，Z方向參數(shù)為0.51 N/kg。為精確反映窗框受力情況，分別施加遞增載荷，分析不同載荷工況下試驗(yàn)裝置的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果，查看窗框及結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果對(duì)試驗(yàn)裝備傳力均勻性進(jìn)行驗(yàn)證。

表2 窗框正推（拉）試驗(yàn)各構(gòu)件材料屬性

3 計(jì)算分析結(jié)果

3.1 推（拉）力試驗(yàn)強(qiáng)度分析

本次試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)車窗與車體的粘接強(qiáng)度，屬于破壞性試驗(yàn)，要求車窗各件試驗(yàn)推（拉）力均勻一致，試件的受力狀況即是對(duì)試驗(yàn)裝備的檢驗(yàn)。

對(duì)試驗(yàn)裝備和試件進(jìn)行了多次遞增載荷加載模擬試驗(yàn)，結(jié)果顯示，試件在5、6、7、8 t載荷推（拉）力下，受力均勻、沒(méi)有出現(xiàn)玻璃破碎和窗框變形表象，說(shuō)明車窗與車體的粘接力牢固，但當(dāng)載荷繼續(xù)增加至9 t、10 t時(shí)，玻璃雖然沒(méi)有破碎，但窗框已出現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變過(guò)大表象，窗框最大應(yīng)力已超出材料許用應(yīng)力值，故不再添加更大載荷進(jìn)行試驗(yàn)，因此以10 t載荷試驗(yàn)力為限進(jìn)行計(jì)算分析。

圖7、圖8分別為施加載荷時(shí)窗框及結(jié)構(gòu)膠的有限元分析應(yīng)力云圖，窗框最大應(yīng)力發(fā)生在下部中央位置，應(yīng)力值為275.323 MPa，超出試件材料許用應(yīng)力[]=230 MPa，動(dòng)車車體所受應(yīng)力同樣超出其材料許用應(yīng)力值，故不再進(jìn)行更大載荷推（拉）力試驗(yàn)。Sika結(jié)構(gòu)膠最大應(yīng)力發(fā)生位置與窗框最大應(yīng)力位置相同，應(yīng)力值為0.846 MPa，小于其抗拉強(qiáng)度值[σ]=4 MPa。窗框及結(jié)構(gòu)膠受力均勻，符合窗框正推（拉）力試驗(yàn)試件受力均勻性要求。

施加載荷后試驗(yàn)裝備有限元分析應(yīng)力云圖如圖9所示，最大應(yīng)力發(fā)生在上拉架與底板連接垂直方向邊緣處，應(yīng)力值為343.492 MPa＜[]=352 MPa，符合選用材料強(qiáng)度要求。對(duì)于車窗偶有脫落問(wèn)題，經(jīng)技術(shù)分析，為車體與窗框粘接的金屬基體表面處理不徹底所致，而非車窗粘接強(qiáng)度問(wèn)題，故應(yīng)加強(qiáng)車窗與車體粘接前的污垢處理。

圖7 窗框應(yīng)力云圖

圖8 結(jié)構(gòu)膠應(yīng)力云圖

圖9 試驗(yàn)裝備應(yīng)力云圖

3.2 推（拉）力試驗(yàn)剛度分析

對(duì)于剛度分析，在分析構(gòu)件應(yīng)變的同時(shí)，還要研究構(gòu)件其所受應(yīng)力是否滿足要求。圖10所示為窗框施加載荷后有限元分析的應(yīng)變?cè)茍D，最大應(yīng)變?yōu)?.235 mm，發(fā)生在窗框上、下內(nèi)邊緣的水平中央部位，發(fā)生最大應(yīng)變處的應(yīng)力值為275.323 MPa，大于材料[σ]=270 MPa，超出材料的屈服應(yīng)力，故窗框此時(shí)發(fā)生塑性變形。圖11所示為Sika結(jié)構(gòu)膠應(yīng)變?cè)茍D，與窗框最大應(yīng)變發(fā)生在同一位置，，最大應(yīng)變值為1.202 mm，其保守許用拉伸應(yīng)變?yōu)?.5×30%=2.55 mm，屬于彈性應(yīng)變。

圖12所示為試驗(yàn)裝備總應(yīng)變?cè)茍D。云圖顯示在窗框正推（拉）力試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)裝備產(chǎn)生最大應(yīng)變處為上拉架頂部及與底板連接中心垂直方向的上、下部分，最大值為2.419 mm，試驗(yàn)裝備最大應(yīng)力值為343.492 MPa，小于材料屈服應(yīng)力550 MPa，產(chǎn)生彈性變形，因此試驗(yàn)裝備的剛度滿足要求，動(dòng)車車體及窗框剛度不能滿足在10 t載荷推（拉）力條件下的粘接強(qiáng)度試驗(yàn)。

圖10 窗框應(yīng)變?cè)茍D

圖11 結(jié)構(gòu)膠應(yīng)變?cè)茍D

圖12 試驗(yàn)裝備應(yīng)變?cè)茍D

4 試驗(yàn)裝備穩(wěn)定性分析

對(duì)于車窗窗框粘接強(qiáng)度試驗(yàn)而言，為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)翔實(shí)準(zhǔn)確，保證試驗(yàn)裝備有足夠的強(qiáng)度、剛度，要求試驗(yàn)裝備屈曲系數(shù)＞1[6]。本文窗框粘接強(qiáng)度試驗(yàn)為推（拉）力試驗(yàn)，故而需要進(jìn)行穩(wěn)定性分析。經(jīng)過(guò)ANSYS有限元分析，車窗窗框粘接強(qiáng)度推（拉）力試驗(yàn)裝備整體穩(wěn)定性屈曲系數(shù)如表3所示。

表3 整體結(jié)構(gòu)屈曲載荷系數(shù)

5 結(jié)束語(yǔ)

窗框粘接正推（拉）力強(qiáng)度試驗(yàn)裝備的ANSYS有限元分析結(jié)果表明，施加10t載荷情況下窗框最大應(yīng)力值為275.323 MPa＞[]=230 MPa，故不再進(jìn)行更大載荷的添加。試驗(yàn)裝備整體最大應(yīng)力值為343.492 MPa＜[]=352 MPa，符合試驗(yàn)強(qiáng)度要求；系統(tǒng)整體最大位移為2.419 mm，產(chǎn)生彈性形變，滿足剛度要求；窗框及Sika結(jié)構(gòu)膠受力均勻，符合窗框正推（拉）力試驗(yàn)中車窗試件受力均勻性要求；三階屈曲系數(shù)均大于2，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。試驗(yàn)裝備系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)基本合理，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行，為車窗窗框粘接強(qiáng)度正推（拉）力試驗(yàn)提供了可靠的數(shù)據(jù)保證和技術(shù)支持。

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責(zé)任編校：劉亞兵

Design and Analysis of Test Equipments for EMU Window Bonding Strength

YU Xi-nian, LIN Yi-han, YANG Hong-ze, ZHANG Sha

（School of Mechanical Engineering, Dalian JiaoTong University, Dalian 116028, China）

The windows connecting the environment inside and outside have the important influence on the safety of trains and ride comfort. In this paper，the finite element method is used to design and analyze the positive push（pull）test equipments for the bonding strength between window frame and train body，based on the test of CRH3 EMU window bonding strength，and incremental load conditions are chosen as the simulation object under the influence of gravity. The results show that the maximum stress of window frame is more than the allowable stress when the load is 10t, so no more load is added. The stress of the window frame and the Sika structural adhesive is even, which meets the requirements of stress uniformity of windows. The maximum stress of the whole test equipments is 343.492Mpa, less than the allowable stress of the material, meeting the strength and stiffness requirements. The three order buckling factors are all more than 2，the stability of the test device system is fine. The results provide reliable data for the adhesive bonding technology of EMU windows.

EMU; bonding strength; test equipment; Sika structural adhesive; buckling factor

10.15916/j.issn1674-3261.2017.02.014

U270.38

A

1674-3261(2017)02-0128-04

2016-11-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51375063）

于喜年(1958-)，男，遼寧大連人，教授，碩士。