基于ABAQUS的高速車塞拉門周邊膠條脫出問題分析及改進(jìn)

劉欣，張旭良，譚庭亮

（南京康尼機(jī)電股份有限公司，江蘇 南京 210000）

1 概述

當(dāng)前高速列車外門系統(tǒng)主要采用塞拉門結(jié)構(gòu)，車門的密封性能直接影響列乘客的舒適性。車門的密封主要依靠門扇上的膠條來實(shí)現(xiàn)。高速列車塞拉門在運(yùn)用過程中出現(xiàn)多起周邊膠條脫出門扇安裝槽的問題，如圖1所示，嚴(yán)重影響車門性能。本文針對(duì)塞拉門周邊膠條脫出門扇問題，分析問題成因，制定改進(jìn)方案并進(jìn)行改進(jìn)效果驗(yàn)證。

圖1 周邊膠條脫出門扇

2 周邊膠條安裝結(jié)構(gòu)

周邊膠條安裝在門扇最外層，為唇邊結(jié)構(gòu)。關(guān)門后周邊膠條與門框搭接，用于門扇周圈的防塵作用，并具有一定的防水密封效果，如圖2所示門扇上設(shè)置有燕尾式的安裝槽，膠條裝配時(shí)根部卡入安裝槽內(nèi)，并依靠自身彈性固定在門扇上。

圖2 門扇周邊膠條安裝示意

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查，脫出門扇的周邊膠條均位于門扇側(cè)面，未發(fā)現(xiàn)有刮蹭損傷痕跡，也可以排除人為拉拽原因。初步分析是由于膠條安裝至門扇后連接力不足，列車高速運(yùn)行時(shí)膠條被風(fēng)吹起，進(jìn)而被拉扯脫出安裝槽。

3 膠條脫出過程仿真分析

塞拉門周邊膠條材料選用三元乙丙橡膠。三元乙丙具有優(yōu)異的耐腐蝕、抗撕裂及抗老化性能，滿足高速車塞拉門系統(tǒng)對(duì)于高密封性能、高強(qiáng)度及低溫運(yùn)用環(huán)境的要求。

3.1 橡膠本構(gòu)模型建立

對(duì)于橡膠而言，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系需使用應(yīng)變能密度函數(shù)來描述，應(yīng)變能密度函數(shù)本構(gòu)模型的選取需要根據(jù)材料及模型的變形情況來綜合考慮。

因三元乙丙的泊松比大致在0.47左右，而具有不可壓縮性的特點(diǎn)，對(duì)于橡膠的分析模型主要有Neo-Hookean模型、Mooney-Rivlin模型及Ogden模型等。對(duì)于小變形的橡膠而言Mooney-Rivlin更能反應(yīng)橡膠的變形特點(diǎn)。故本文借助ABAQUS軟件對(duì)此周邊膠條進(jìn)行研究分析，找到膠條與門扇連接的薄弱點(diǎn)。

通過Mooney-Rivlin 2參數(shù)來表征該三元乙丙膠條的力學(xué)性能，其函數(shù)表達(dá)為：

式中，W變勢(shì)能，C01、C10為Mooney-Rivlin常數(shù)，I1、I2為第一、第二應(yīng)變張量不變量。

應(yīng)變勢(shì)能W與σ（應(yīng)力）、ε（應(yīng)變）關(guān)系如下：

高速車塞拉門周邊膠條選用的三元乙丙橡膠硬度HA=60-70HR、彈性模量E0=8.7MPa、密度ρ=0.87(g/mm3)、泊松比ν=0.47。故得到相應(yīng)C01=1.5716MPa、CD=5.6947MPa。

3.2 有限元模型的建立

根據(jù)圖3所示膠條安裝示意圖將膠條安裝槽視為剛體，且將膠條受力情況簡化為二維模型。

圖3 模型簡化示意圖

3.3 仿真結(jié)果

根據(jù)以上的數(shù)據(jù)在ABAQUS中得到的結(jié)果如圖4。

圖4 仿真分析云圖

通過miss云圖及位移云圖可知膠條在受力后，根部遠(yuǎn)離唇邊一側(cè)率先產(chǎn)生變形并脫出膠條安裝槽，隨后膠條根部會(huì)完全脫離膠條安裝槽，造成前文所述脫出門扇的異常狀況。

4 改進(jìn)方案及對(duì)比驗(yàn)證

4.1 改進(jìn)方案

根據(jù)仿真分析可知膠條在受到風(fēng)載作用脫出門扇的過程中，根部遠(yuǎn)離唇邊一側(cè)首先脫離安裝槽，分析此處是膠條安裝結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)。據(jù)此提出改進(jìn)方案：膠條根部裝入門扇后，在其根部與門扇之間區(qū)域增加粘接膠，見圖5。

圖5 膠條根部增加打膠要求

4.2 試驗(yàn)策劃

策劃對(duì)比試驗(yàn)用于驗(yàn)證改進(jìn)效果。

（1）試驗(yàn)樣塊。從門扇型材和周邊膠條上取樣，分別按照改進(jìn)前、后方案制作試驗(yàn)樣塊，如圖6所示。設(shè)計(jì)夾板使膠條盡可能整體受力，避免載荷集中在一點(diǎn)上。

圖6 試驗(yàn)樣塊示意

（2）試驗(yàn)方法。將樣塊的型材部分裝夾在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，利用膠條上安裝的螺釘施加向上的拉拔力，模擬膠條所受到的風(fēng)載。

（3）評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。記錄膠條脫出型材或者自身破壞時(shí)刻的拉力值，若改進(jìn)方案樣塊所能承受的拉伸力更大，則說明改進(jìn)方案有效。

4.3 驗(yàn)證結(jié)論

（1）改進(jìn)前方案。膠條被拉拔后根部完全脫出型材安裝槽，最大拉伸力約267N，如圖7所示。

圖7 改進(jìn)前方案試驗(yàn)結(jié)果

（2）改進(jìn)后方案。膠條被拉拔至唇邊處完全斷裂，最大拉伸力約1540N，但膠條根部并未脫出型材，檢查膠條與型材粘接面完好，無裂縫，如圖所示8所示。

圖8 改進(jìn)后方案試驗(yàn)結(jié)果

（3）結(jié)論。由試驗(yàn)對(duì)比可知，在膠條根部位置增加打膠粘接可以大大提升膠條安裝后抵抗脫出的能力，有效解決塞拉門現(xiàn)車運(yùn)用問題。

對(duì)實(shí)施優(yōu)化后的塞拉門運(yùn)用情況進(jìn)行跟蹤，從2018年10月至今未再次出現(xiàn)同類問題，說明改進(jìn)方案切實(shí)有效。

5 結(jié)語

本文從高速列車塞拉門運(yùn)用過程中的實(shí)際問題出發(fā)，通過對(duì)膠條安裝結(jié)構(gòu)的分析和有限元仿真，找出了膠條與安裝槽連接的薄弱點(diǎn)。然后制定了打膠粘接的改進(jìn)方案對(duì)薄弱位置進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。設(shè)計(jì)和制作試驗(yàn)樣塊，并通過對(duì)比試驗(yàn)證明了改進(jìn)方案的有效性。將有限元分析工具與試驗(yàn)對(duì)比相結(jié)合是開展設(shè)計(jì)優(yōu)化、解決工程技術(shù)問題的有效途徑，具有很好的指導(dǎo)意義。