有限元分析在頭罩粘接強(qiáng)度校核中的應(yīng)用

楊國(guó)紀(jì) 姚騰達(dá) 劉 威

(中車株洲電力機(jī)車有限公司 湖南 株洲 412001)

0 概述

目前國(guó)內(nèi)的地鐵車輛頭罩多采用玻璃鋼材質(zhì)，造型復(fù)雜，制造誤差大；車體骨架多采用鋁型材或不銹鋼焊接工藝，焊接變形量大。若頭罩安裝采用機(jī)械連接結(jié)構(gòu)，則會(huì)導(dǎo)致安裝困難，容易產(chǎn)生大量應(yīng)力集中；而采用粘接工藝能夠彌補(bǔ)頭罩和車體安裝誤差，降低安裝難度，減少機(jī)械連接造成的應(yīng)力集中和局部變形，同時(shí)能夠起到密封、絕緣、耐腐蝕等作用。但是如何驗(yàn)證頭罩粘接后的強(qiáng)度能夠滿足要求，并降低后期產(chǎn)品制造使用風(fēng)險(xiǎn)一直是頭罩粘接的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。下文以某項(xiàng)目頭罩粘接結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)有限元仿真軟件對(duì)頭罩粘接接頭進(jìn)行仿真分析，研究粘接后強(qiáng)度的安全性和可靠性。

1 頭罩結(jié)構(gòu)及粘接方案

頭罩采用內(nèi)外側(cè)聚酯玻璃鋼中間填充泡沫的夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與車體粘接處采用折邊設(shè)計(jì)加厚到50 mm，增大粘接面積，保證粘接強(qiáng)度。聚酯玻璃鋼主要起到抗沖擊作用，而中間泡沫夾芯層主要起到降噪隔熱作用。頭罩在結(jié)構(gòu)上預(yù)留有前窗玻璃的安裝接口，前窗玻璃通過(guò)粘接的形式固定在頭罩上。

頭罩粘接采用聚氨酯膠黏劑，膠黏劑具有高抗剪切強(qiáng)度、耐腐蝕、抗老化等特點(diǎn)。下文選用的粘接方案為：頭罩與車體之間粘接采用單組份聚氨酯膠黏劑，膠層厚度范圍為：8～14 mm。

2 有限元模擬計(jì)算

2.1 建立模型

根據(jù)粘接方案，建立2種粘接模型，模型1：膠層厚度為公差范圍最小值8 mm；模型2：膠層厚度為公差范圍最大值14 mm。

頭罩部分的三維幾何模型局部視圖如圖1所示。前部的頭罩部分為聚酯玻璃鋼，后部為鋁合金車體結(jié)構(gòu)。定義沿車頭前進(jìn)的方向?yàn)閄方向，車體寬度方向?yàn)閅方向，垂直于軌面，指向車體高度方向?yàn)閆方向，坐標(biāo)系符合右手定則。

車體部分為殼單元，頭罩、粘接膠層和前窗玻璃為實(shí)體單元。膠層網(wǎng)格模型為六面體單元，且厚度方向有5層網(wǎng)格。頭罩部分網(wǎng)格劃分如圖2所示，粘接處膠層局部放大圖如圖3所示。

圖1 頭罩局部放大圖

圖2 頭罩部分網(wǎng)格劃分圖3 粘接接頭膠層局部放大圖

2.2 車輛運(yùn)行環(huán)境

車輛設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度：80 km/h；

平均運(yùn)行速度：不小于36 km/h；

最大風(fēng)速：20.7 m/s；

極端最低溫度：-12 ℃；

極端最高溫度：+45 ℃。

2.3 材料參數(shù)

車體采用鋁合金，頭罩為夾層聚酯玻璃鋼，前窗為玻璃，各材料的參數(shù)如表1所示。膠黏劑的參數(shù)如表2所示。

表1 部件材料參數(shù)

表2 部件材料參數(shù)

2.4 載荷工況

載荷工況主要包括：頭罩粘接結(jié)構(gòu)受到的靜態(tài)載荷；不同方向的整體加速度疊加后的動(dòng)態(tài)載荷；基材兩側(cè)結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致的變形加上結(jié)構(gòu)整體的均布?xì)鈩?dòng)載荷；結(jié)構(gòu)的疲勞載荷。

靜態(tài)載荷：頭罩僅受重力作用下，其最大應(yīng)力與蠕變極限及松弛極限相比較。計(jì)算結(jié)果得到頭罩靜態(tài)載荷下的膠層剪切應(yīng)力最大值。

動(dòng)態(tài)載荷：包括動(dòng)態(tài)加速度和氣動(dòng)載荷。其中：X，Y，Z三個(gè)方向的最大動(dòng)態(tài)加速度參考 DIN EN 12663-1標(biāo)準(zhǔn)，氣動(dòng)載荷參數(shù)來(lái)自于類似產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 動(dòng)態(tài)載荷工況

溫差導(dǎo)致的熱載荷：溫差導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)不匹配的變形，車輛生產(chǎn)階段和運(yùn)營(yíng)階段的溫度范圍如下：車輛運(yùn)行的環(huán)境溫度，-12 ℃～+45 ℃；車輛生產(chǎn)階段溫度，+10 ℃～+35 ℃，即最大溫升為+35 ℃，最大溫度降低為-47 ℃。要求考慮2個(gè)不同材料結(jié)構(gòu)間的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的膠層相對(duì)變形，并將最大溫度升高和溫度降低熱變形疊加到應(yīng)力最大的工況。

疲勞載荷：根據(jù)DIN EN 12663-1標(biāo)準(zhǔn)，頭罩在X，Y，Z三個(gè)方向的最大疲勞加速度如表4所示。因?yàn)槠诠r為長(zhǎng)期載荷的工況，理論上經(jīng)歷的溫度為使用溫度范圍內(nèi)的平均作用，所以不考慮溫差疊加因素。

表4 疲勞載荷工況

2.5 安全系數(shù)選取

該有限元模型對(duì)于這些動(dòng)態(tài)載荷仿真的精度較高，但也受限于整體網(wǎng)格的質(zhì)量和材料質(zhì)量的分散性，因此綜合評(píng)估取1.5的安全系數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 靜態(tài)載荷工況

通過(guò)對(duì)模型1和模型2加載靜態(tài)載荷得到仿真計(jì)算結(jié)果如表5和圖4所示。

表5 靜態(tài)載荷計(jì)算結(jié)果

圖4 靜載荷工況下兩種模型應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

根據(jù)膠黏劑材料參數(shù)蠕變測(cè)量數(shù)據(jù)(見圖5)，膠黏劑在0.225 MPa的力的作用下，膠層蠕變量約為1.8 mm，蠕變剪切應(yīng)變約為36%。表5中模型1和模型2的靜態(tài)載荷下的最大剪切應(yīng)力分別為0.099 MPa和0.085 MPa，遠(yuǎn)小于0.225 MPa，并且該款膠黏劑松弛極限大于50%的剪切應(yīng)變，因此可以確保靜態(tài)蠕變工況下粘接接頭安全。

圖5 膠黏劑蠕變測(cè)試(膠層厚度5 mm)

3.2 動(dòng)態(tài)載荷工況

通過(guò)對(duì)粘接模型1的12種動(dòng)態(tài)載荷工況計(jì)算結(jié)果對(duì)比，得出粘接接頭在DLC9工況達(dá)到最大的應(yīng)力應(yīng)變。因此，對(duì)于粘接模型2用DCL9工況進(jìn)行計(jì)算，得到該模型條件下的最大應(yīng)力應(yīng)變值，仿真結(jié)果如表6、表7和圖6所示。

表6 動(dòng)態(tài)載荷DLC9工況最大應(yīng)力

表7 動(dòng)態(tài)載荷DLC9工況最大應(yīng)變

圖6 DCL9工況下兩種模型應(yīng)力及應(yīng)變?cè)茍D

根據(jù)表6、表7中的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到的最小的安全系數(shù)為7.1，因此，在動(dòng)態(tài)載荷下頭罩粘接結(jié)構(gòu)滿足安全要求。

3.3 溫差導(dǎo)致的熱載荷

對(duì)粘接模型1、2的DLC9工況與最高和最低使用溫度工況進(jìn)行疊加，得到最大溫差導(dǎo)致的熱載荷與最大動(dòng)態(tài)載荷工況疊加后的最大應(yīng)力應(yīng)變值，仿真結(jié)果如表8、表9和圖7所示。

表8 熱載荷與DLC9工況疊加應(yīng)力

表9 熱載荷與DLC9工況疊加應(yīng)變

圖7 熱載荷與DCL9工況疊加下兩種模型應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D

根據(jù)表6、表7中的數(shù)據(jù),計(jì)算得到的應(yīng)力最小的安全系數(shù)為2.7，應(yīng)變最小的安全系數(shù)為5.5。因此由于溫差導(dǎo)致的熱載荷與最大動(dòng)態(tài)載荷工況疊加下粘接接頭安全，并有一定的冗余量。

3.4 疲勞載荷工況

通過(guò)對(duì)粘接模型1的8種疲勞載荷工況進(jìn)行計(jì)算，粘接接頭在FLC7工況達(dá)到最大的疲勞應(yīng)力。

因此，對(duì)于粘接模型2用FLC7工況進(jìn)行計(jì)算即得到該模型條件下的最大應(yīng)力應(yīng)變值，仿真結(jié)果如表10和圖8所示。

表10 疲勞工況應(yīng)力

圖8 FLC7工況下兩種模型應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

根據(jù)表10中的數(shù)據(jù),頭罩粘接接頭在疲勞工況下計(jì)算得到的最小安全系數(shù)為5.5，因此疲勞載荷工況下粘接接頭滿足安全要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于膠黏劑本身的特殊性，高安全等級(jí)結(jié)構(gòu)粘接部件的強(qiáng)度校核一直都是粘接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。上文通過(guò)對(duì)軌道車輛頭罩粘接接頭在靜態(tài)載荷、動(dòng)態(tài)載荷、熱載荷及疲勞載荷等工況條件下的有限元分析計(jì)算，以及膠黏劑在不同工況下產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變，結(jié)合膠黏劑本身的特性，對(duì)粘接接頭的安全性能進(jìn)行了評(píng)估，可為軌道交通車輛部件粘接安全設(shè)計(jì)提供參考。