有軌電車頭罩粘接結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析

趙亞峰，杭 翔，韓東旭，李 剛，陳錫嘉

（1.中車大同電力機(jī)車有限公司，山西 大同 037038；2.上海逸發(fā)粘接化工科技有限公司，上海 201101）

關(guān)鍵字：有軌電車；粘接；仿真

隨著新材料、新技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，以及對軌道車輛產(chǎn)品不斷提出的輕量化要求，粘接技術(shù)因其在連接不同性質(zhì)結(jié)構(gòu)材料上的突出優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1]。特別是彈性膠粘接結(jié)構(gòu)具有的應(yīng)力分布相對均勻、隔音減噪效果較好以及防止不同材料在連接時產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕問題等突出的優(yōu)點(diǎn)，在軌道交通車輛的結(jié)構(gòu)連接中起到了重要作用[2]。

本研究針對某型號的有軌電車車頭的頭罩、擋風(fēng)玻璃和側(cè)窗采用彈性膠粘接工藝部件的連接以及頭罩粘接進(jìn)行了重點(diǎn)分析。為了驗(yàn)證該粘接接頭的強(qiáng)度在整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)是否滿足使用要求，依據(jù)DIN 6701-3：2015-12《軌道交通車輛及車輛部件的粘接-第3部分：軌道交通車輛粘接接頭的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證指導(dǎo)手冊》標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，通過以下方式進(jìn)行驗(yàn)證：①驗(yàn)證部件承受的應(yīng)力小于應(yīng)力極限；②對部件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測；③依據(jù)歸檔的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在軌道車輛領(lǐng)域的部件體積通常都比較大，進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測試往往需要專門的測試儀器且成本較高。而經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)往往可靠性較低，且有較強(qiáng)的局限性。因此，可通過有限元分析的手段對部件進(jìn)行計(jì)算分析，從而驗(yàn)證其強(qiáng)度是否滿足要求，該方法在軌道車輛領(lǐng)域有著至關(guān)重要的意義。并且，基于仿真計(jì)算的結(jié)果，可得到相應(yīng)玻璃鋼頭罩粘接的結(jié)構(gòu)和工藝優(yōu)化的建議[3]。

1 有軌電車粘接模型

1.1 有軌電車粘接幾何模型及分析軟件

有軌電車粘接幾何模型主要由頭罩、擋風(fēng)玻璃、左/右側(cè)窗玻璃、粘接膠條及車體鋼結(jié)構(gòu)組成（如圖1左所示）。本研究采用Hypermesh法進(jìn)行網(wǎng)格劃分和前處理，用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行仿真分析和后處理，并著重對頭罩與車體的粘接結(jié)構(gòu)，即頭罩頂部膠條、頭罩側(cè)部膠條和頭罩底部膠條（如圖1右所示）進(jìn)行有限元分析。ABAQUS軟件可以分析復(fù)雜的結(jié)構(gòu)力學(xué)問題，有著強(qiáng)大的計(jì)算能力，能夠滿足本研究的研究要求。

圖1 有軌電車粘接模型幾何結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of geometric structure of tramcar bonded structure

1.2 材料參數(shù)

頭罩結(jié)構(gòu)的材料為玻璃鋼，車體鋼結(jié)構(gòu)的材料為Q460鋼，其密度、泊松比、彈性模量及熱膨脹系數(shù)等基本材料參數(shù)均作為模型的材料信息輸入?yún)?shù)。對于膠粘劑Sika265，除了以上基本的材料參數(shù)外，還需考慮不同溫度下的拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、斷裂伸長率、剪切伸長率、彈性模量、剪切蠕變強(qiáng)度及剪切疲勞強(qiáng)度等。其中，依據(jù)DIN 6701-3：2015-12標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，強(qiáng)度和斷裂伸長率數(shù)據(jù)按照DIN 54457：2007-09標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定：在23℃/50%相對濕度下浸泡7 d，之后進(jìn)行80 ℃/1 d的高溫處理，最后再進(jìn)行7 d 70 ℃/100%相對濕度的封閉耐水老化試驗(yàn)，最終得到95%置信區(qū)間的特征值。同時還考慮了不同溫度（-35 ℃、23 ℃和70 ℃）對彈性模量的影響。

2 有限元模型

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

車體鋼結(jié)構(gòu)用20 mm基本尺寸的殼單元進(jìn)行劃分，整個車體做成共節(jié)點(diǎn)，不同厚度的部分分為不同的層，在有膠粘接的區(qū)域做局部細(xì)化；頭罩網(wǎng)格以20 mm×20 mm×5 mm的基本尺寸采用體單元劃分，在有膠粘接的區(qū)域做局部細(xì)化；整個有軌電車粘接模型坐標(biāo)系的方向，車前進(jìn)方向?yàn)閄方向，豎直向上方向?yàn)閆方向，根據(jù)右手定則確定Y方向。

2.2 約束條件及載荷條件

考慮到車體下方最前部的轉(zhuǎn)向架在分析結(jié)構(gòu)的后方，固定邊界設(shè)置為前車體后端結(jié)構(gòu)限制X方向位移，車輪位置的結(jié)構(gòu)限制Y、Z方向位移。根據(jù)實(shí)際工況的不同，確定了相應(yīng)的載荷。

（1）靜態(tài)載荷

整個結(jié)構(gòu)在僅受重力的作用下，將膠層中相對最大應(yīng)力與蠕變極限進(jìn)行比較。

（2）動態(tài)載荷

按照DIN EN 12663-1：2015-03標(biāo)準(zhǔn)，得出X、Y和Z這3個方向的相對最大動態(tài)加速度以及氣動壓力數(shù)據(jù)。具體而言，動態(tài)載荷為X方向相對最大（±2）g的加速度，Y方向相對最大（±1）g的加速度和Z方向相對最大（±1）g的加速度，以及結(jié)構(gòu)外部（±1 500）Pa的均勻氣動壓強(qiáng)的組合疊加，共計(jì)12個工況，如表1所示。其中，1 500 Pa的氣動壓強(qiáng)方向指向車內(nèi)，-1 500 Pa的氣動壓強(qiáng)方向指向車外。

表1 動態(tài)載荷工況Tab.1 Dynamic load cases

（3）溫差導(dǎo)致的熱載荷

考慮溫差導(dǎo)致的2側(cè)基材的熱膨脹系數(shù)不匹配的變形，依據(jù)車輛生產(chǎn)階段和運(yùn)營階段的溫度范圍，使用5～40 ℃升溫，30～-25℃降溫這2種溫度變化，將其分別疊加在應(yīng)力相對最大的動態(tài)載荷工況上進(jìn)行校核。

（4）疲勞載荷

按照DIN EN 12663-1：2015-03標(biāo)準(zhǔn)得出X、Y和Z這3個方向的相對最大疲勞加速度。具體而言，疲勞載荷X方向?yàn)椋ā?.2） g的加速度，Y方向?yàn)椋ā?.15） g的加速度和Z方向?yàn)椋?±0.15） g的加速度之兩兩組合疊加共計(jì)8個工況。

3 結(jié)果與討論

3.1 重力靜載荷工況分析結(jié)果

頭罩在重力靜態(tài)載荷工況下，其頭罩的相對最大剪應(yīng)力為7.28e-2MPa，低于其承載極限（23 ℃剪切蠕變強(qiáng)度）的0.33 MPa，安全系數(shù)為4.53。在此工況下，頭罩側(cè)部粘接應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖2所示。

圖2 重力靜載荷工況頭罩側(cè)部粘接剪切應(yīng)力云圖Fig.2 Shear stress field distribution diagram of front hood side bonding under gravitational load

3.2 動態(tài)載荷工況分析結(jié)果

計(jì)算得到的最大動態(tài)載荷工況為：X方向2 g的加速度，Y方向0 g的加速度和Z方向-1 g的加速度，以及結(jié)構(gòu)外部-1 500 Pa的均勻氣動壓強(qiáng)的組合工況。在此工況的作用下，頭罩粘接的最大Mises等效應(yīng)力7.95e-1MPa低于其承載極限（23 ℃拉伸強(qiáng)度）7.1 MPa，最小安全系數(shù)8.93；最大Mises應(yīng)變36.4%低于其承載極限（23 ℃拉伸斷裂伸長率）358%，最小安全系數(shù)9.83。在此工況下，頭罩側(cè)部粘接應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖3所示。

3.3 溫差導(dǎo)致的熱載荷與相對最大動載荷工況疊加分析結(jié)果

將相對最大的5～40 ℃溫差導(dǎo)致的熱載荷與相對最大動態(tài)載荷進(jìn)行疊加，在得到相對最大溫差導(dǎo)致的熱載荷與相對最大動態(tài)載荷工況的疊加工況下，頭罩側(cè)部粘接應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖4所示。頭罩粘接的相對最大等效應(yīng)力（Mises）為8.40e-1MPa，低于其承載極限（+40 ℃拉伸強(qiáng)度6.1 MPa），相對最小安全系數(shù)為7.26；相對最大Mises應(yīng)變?yōu)?8.6%，低于其承載極限（+40 ℃拉伸斷裂伸長率）294%，相對最小安全系數(shù)為7.61。

圖3 相對最大動態(tài)載荷工況頭罩側(cè)部粘接Mises應(yīng)力和應(yīng)變云圖Fig.3 Mises stress and strain field distribution diagram of front hood side bonding under maximum dynamic load

圖4 溫差導(dǎo)致的熱載荷與相對最大動態(tài)載荷疊加的相對最大載荷工況頭罩側(cè)部粘接Mises應(yīng)力和應(yīng)變云圖Fig.4 Mises stress and strain field distribution diagram of front hood side bonding under maximum superposition of maximum dynamic laod and temperature variation

3.4 疲勞載荷工況分析結(jié)果

相對最大疲勞載荷工況為：X方向的加速度0.2 g、Y方向的加速度-0.15 g和Z方向的加速度-1.15 g，在疲勞加速度疊加工況下，頭罩側(cè)部粘接應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖5所示。其中頭罩粘接的相對最大剪切應(yīng)力為1.68e-1MPa，低于其承載極限（23 ℃剪切疲勞強(qiáng)度）的0.34 MPa，相對最小安全系數(shù)為2.02。

圖5 最大疲勞載荷工況頭罩側(cè)部粘接Mises應(yīng)力和應(yīng)變云圖Fig.5 Mises stress and strain field distribution diagram of front hood side bonding under maximum fatigue load

4 結(jié)論

通過上述對有軌電車頭罩不同粘接部位的有限元分析，得出這些部位的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，并計(jì)算得出相應(yīng)的安全系數(shù)，所有的載荷均小于對應(yīng)的承載極限，從而驗(yàn)證了該頭罩粘接結(jié)構(gòu)在整個壽命周期內(nèi)的可靠性。

而且，頭罩粘接結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)相對最小的工況為在相對最大疲勞載荷工況（X方向?yàn)?.2 g的加速度，Y方向?yàn)?0.15 g的加速度和Z方向?yàn)?1.15 g的加速度，將其疲勞加速度進(jìn)行疊加）下，頭罩粘接的相對最大剪切應(yīng)力為1.68e-1MPa，低于其承載極限（23 ℃剪切疲勞強(qiáng)度）0.34 MPa，相對最小安全系數(shù)為2.02，安全系數(shù)足夠且相對較小。除了疲勞工況外的其余工況都有充足的安全系數(shù)。通過仿真計(jì)算的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，多數(shù)工況下，應(yīng)力集中在頭罩側(cè)部粘接膠條截面尺寸變化處，此處的應(yīng)力峰值明顯大于其他頭罩粘接的膠條。因此，可以考慮此處的膠條截面設(shè)計(jì)，通過頭罩和車體的局部幾何結(jié)構(gòu)更改，盡量保證相同膠條截面設(shè)計(jì)或更加平滑的膠條截面過渡設(shè)計(jì)，以降低此處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。