高速列車U型橡膠外風(fēng)擋低溫下收縮性能分析

關(guān)鍵詞：U型橡膠外風(fēng)擋；Mooney-Rivlin 超彈性本構(gòu)模型；熱固耦合；有限元分析；低溫試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U270 DOI：10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 01. 010

0引言

高速鐵路集中反映了一個(gè)國家鐵路線路結(jié)構(gòu)、列車牽引動(dòng)力、高速運(yùn)行控制、高速運(yùn)輸組織等多方面的技術(shù)水平，代表了一個(gè)國家的整體科技和工業(yè)水平［1］。德國、日本等傳統(tǒng)制造業(yè)強(qiáng)國早在20世紀(jì)就開始了相應(yīng)的研究，進(jìn)行了大量的理論與試驗(yàn)工作［2］。我國于20世紀(jì)90年代開始發(fā)展高速鐵路技術(shù)，先后成功研制最大速度212. 6、240、321. 25 km/h的高速列車。其中，高速列車所用風(fēng)擋設(shè)計(jì)技術(shù)是四大連接技術(shù)之一［3］。高速動(dòng)車組的風(fēng)擋分為內(nèi)風(fēng)擋和外風(fēng)擋兩部分：內(nèi)風(fēng)擋主要作為旅客安全通道，而外風(fēng)擋主要用來降低車輛運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲，同時(shí)還使兩個(gè)車輛之間弧面連接平滑一致，以降低高速動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)的空氣阻力［4］。高速列車外風(fēng)擋的主要形式有半包式裙板型橡膠外風(fēng)擋、半包式Ｕ型橡膠外風(fēng)擋、全包式外風(fēng)擋和隔音風(fēng)擋等［5］。

目前，對(duì)于高速列車外風(fēng)擋，許多學(xué)者從不同方面進(jìn)行了研究。白夜等［6］進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)，給出了研究風(fēng)擋腔內(nèi)流場(chǎng)氣動(dòng)特性可行的試驗(yàn)方案，此方案為局部減阻之后的研究提供依據(jù)。NIU等［7-8］分別對(duì)U型橡膠外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)在列車空氣動(dòng)力作用下產(chǎn)生變形及振動(dòng)問題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)氣動(dòng)載荷的激勵(lì)頻率接近外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)固有頻率時(shí)易引起共振現(xiàn)象，此時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響列車運(yùn)行穩(wěn)定性、乘客舒適性以及外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)安全性。唐明贊等［9］采用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算的方法研究了外風(fēng)擋與車體外表面的安裝間距對(duì)風(fēng)擋氣動(dòng)特性的影響規(guī)律。劉國慶等［10］針對(duì)不同車型，使用大渦模擬和基于FW-H方程的聲類比方法分析了高速列車氣動(dòng)噪聲分布的特點(diǎn)。劉翰林等［11］采用數(shù)值模擬的方法對(duì)400 km/h的高速列車氣動(dòng)聲學(xué)設(shè)計(jì)研究給予一定參考價(jià)值。楊加壽等［12］對(duì)不同風(fēng)擋形式的氣動(dòng)性能進(jìn)行研究，通過數(shù)值模擬的方法得出了上、下和兩側(cè)閉式的風(fēng)擋形式更適合高速列車的結(jié)論。蔡鑒明等［13-14］分別采用不同材料本構(gòu)模型，研究了模態(tài)試驗(yàn)激勵(lì)點(diǎn)與響應(yīng)位置對(duì)模態(tài)參數(shù)的影響。DAI等［15］提出了一種混合方法來研究風(fēng)擋區(qū)域周圍的運(yùn)動(dòng)噪聲，為風(fēng)擋輻射氣動(dòng)噪聲研究提供新思路。TANG等［16］通過雙向迭代非線性流固耦合模型仿真得到外風(fēng)擋周圍的流場(chǎng)特性，分析其振動(dòng)機(jī)制及特性，為高速列車外風(fēng)擋的空氣彈性問題研究提供參考。譚蓮影等［17］探討了風(fēng)擋橡膠基材三元乙丙橡膠的防老體系、填充體系以及硫化體系對(duì)外風(fēng)擋橡膠材料性能的影響，并成功開發(fā)了性能滿足技術(shù)要求的風(fēng)擋橡膠材料。歐陽黎健等［18］分析了風(fēng)擋的應(yīng)用情況及相應(yīng)特點(diǎn)，為風(fēng)擋選型提供依據(jù)。高軍等［19］結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)外風(fēng)擋進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及計(jì)算，從選材、減阻和隔聲方面對(duì)外風(fēng)擋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行探討。

目前針對(duì)外風(fēng)擋的研究主要集中在氣動(dòng)性能、噪聲、模態(tài)參數(shù)、選型等方面，而U型橡膠外風(fēng)擋的低溫性能尚未有研究。由于高速列車特殊的工作環(huán)境，在國內(nèi)由南到北的線路上存在從最高溫度40 ℃到最低溫度-40 ℃的可能性。本處于相互擠壓的兩U型橡膠，在低溫時(shí)其間可能會(huì)產(chǎn)生一定的縫隙，而當(dāng)外風(fēng)擋存在縫隙時(shí)，縫隙起到了導(dǎo)流作用，將高速氣流導(dǎo)入兩車連接處，導(dǎo)致列車風(fēng)阻增加，同時(shí)氣動(dòng)噪聲也可能增強(qiáng)［20］。因此，對(duì)U型橡膠外風(fēng)擋低溫特性的研究尤為重要。

本文以半包式U型橡膠外風(fēng)擋為研究對(duì)象，采用有限元分析方法分別對(duì)3種工況下U型橡膠的收縮性進(jìn)行研究并比較分析，使用低溫試驗(yàn)分析的方法對(duì)工況3下的U型橡膠外風(fēng)擋低溫收縮性進(jìn)行研究，然后對(duì)低溫試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證，并研究了不同厚度壓條對(duì)橡膠螺栓孔厚度的影響。

1U型橡膠外風(fēng)擋的有限元分析

1. 1橡膠低溫性能

橡膠作為超彈性材料，具有材料非線性和幾何非線性的特點(diǎn)，為得到低溫-40 ℃下橡膠的力學(xué)性能，需對(duì)試樣在低溫環(huán)境下做拉伸試驗(yàn)得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，為消除偶然因素的影響，本文采用4塊相同試樣進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

對(duì)橡膠試樣進(jìn)行有限元分析時(shí)，主要難點(diǎn)在于本構(gòu)關(guān)系和接觸特性的定義和選擇，本文采用最常用的Mooney-Rivlin本構(gòu)模型分別對(duì)4塊試樣在0～150%應(yīng)變范圍內(nèi)做擬合［21］。該模型在伸長(zhǎng)應(yīng)變?yōu)?00%之內(nèi)與壓縮應(yīng)變?yōu)?0% 之內(nèi)的中小變形有較好的適用性［22］。各試樣擬合曲線如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)，4塊試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)重合度較高，可以用來描述三元乙丙橡膠的超彈性力學(xué)行為。取擬合重合度最高的試樣3得出的3個(gè)參數(shù)：C₁₀=13995、C₀₁=979 864、C₁₁=-1. 8111，作為有限元分析的橡膠本構(gòu)模型參數(shù)。

1. 2U型橡膠外風(fēng)擋的有限元模型

圖3（a）所示為U型橡膠模型及原始尺寸參數(shù)，高度H₁=243. 5mm，側(cè)壁厚度H₂=16.5 mm，長(zhǎng)度H₃=400mm，圓弧頂部厚度為6mm，底部孔距為150mm。圖3（b）所示為裝配完整的U型橡膠外風(fēng)擋安裝示意圖，主要部件為U型橡膠、內(nèi)安裝條和底座框，并通過螺栓連接裝配。在處理模型時(shí)，螺栓部分進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，便于后續(xù)的計(jì)算。

1. 3邊界條件

使用Ansys軟件計(jì)算低溫環(huán)境下U型橡膠的形變，需要利用溫度場(chǎng)與靜力結(jié)構(gòu)場(chǎng)耦合。在溫度場(chǎng)中需設(shè)定材料參數(shù)、模型接觸、網(wǎng)格劃分與溫度，U型橡膠材料使用的是前面擬合出的Mooney-Rivlin本構(gòu)模型參數(shù)，熱膨脹系數(shù)為2. 5×10^-4 ℃^-1；內(nèi)安裝條與底座框都為鋁合金材質(zhì)，彈性模量為71GPa，泊松比為0. 33，密度為2. 77g/cm³，熱膨脹系數(shù)為2. 3×10^-5 ℃^-1；接觸設(shè)置中U型橡膠與其他部件都為摩擦接觸，摩擦因數(shù)為0. 25，其余接觸默認(rèn)為綁定，溫度根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定。

如圖4所示，先設(shè)定好溫度場(chǎng)相關(guān)邊界條件進(jìn)行計(jì)算，并將溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果輸入到靜力結(jié)構(gòu)場(chǎng)中作為計(jì)算邊界條件，進(jìn)入靜力結(jié)構(gòu)場(chǎng)設(shè)定其余的邊界條件。

外風(fēng)擋實(shí)際安裝過程中，底座兩邊螺栓使用扭力扳手?jǐn)Q緊，轉(zhuǎn)矩為14 N·m，扭力系數(shù)為0. 13，螺栓選擇為M8，材料為A2-70，由扭力與預(yù)緊力換算公式可得預(yù)緊力為13. 5 kN，按實(shí)際安裝設(shè)定邊界條件，分析時(shí)2個(gè)底座框底部固定，邊界條件如圖5所示。

1. 5網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，由于外風(fēng)擋模型較為簡(jiǎn)單，故無須做多余的簡(jiǎn)化。將模型導(dǎo)入物理場(chǎng)，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，底座框底部做固定支撐，溫度場(chǎng)設(shè)定溫度-40 ℃求解。為了更加高效地完成有限元分析，首先使用Ansys軟件對(duì)劃分的網(wǎng)格與分析結(jié)果進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證。橡膠部分采用六面體網(wǎng)格劃分方法，其余采用四面體網(wǎng)格劃分方法，對(duì)橡膠的前后端面與內(nèi)外圓弧面進(jìn)行網(wǎng)格大小的設(shè)置，如圖6所示。經(jīng)計(jì)算得到的網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果如表1所示，其中M₁代表前、后端面，M₂代表內(nèi)、外圓弧面。

由表1可知，對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行加密，并不會(huì)導(dǎo)致最終結(jié)果有很大的變化，為提高計(jì)算效率，最終選擇了前、后截面網(wǎng)格尺寸為6mm，內(nèi)、外圓弧面網(wǎng)格尺寸為20mm。

1. 6實(shí)際工況與仿真結(jié)果分析

1. 6. 1實(shí)際工況

根據(jù)高速列車實(shí)際運(yùn)行工況，在實(shí)際過彎時(shí)，內(nèi)側(cè)U型橡膠受壓，外側(cè)處于松開狀態(tài)，同時(shí)考慮溫度變化對(duì)橡膠的影響，給出3種模擬工況：①在常溫20 ℃下，U型橡膠外風(fēng)擋受擠壓后松開的形變狀態(tài)；② 初始溫度20 ℃，最終溫度-40 ℃，U型橡膠產(chǎn)生的形變狀態(tài)；③ 結(jié)合前兩種工況模擬低溫環(huán)境下U型橡膠受壓后松開的形變狀態(tài)。由于工況3結(jié)合了前兩種工況，因此下面對(duì)工況3進(jìn)行重點(diǎn)分析。

1. 6. 2結(jié)果分析

根據(jù)工況3，設(shè)置初始溫度20 ℃ ，最終溫度-40 ℃，保持一段時(shí)間-40 ℃后，橡膠產(chǎn)生冷縮形變，再將橡膠壓縮140 mm，持續(xù)30 min后松開。仿真時(shí)，應(yīng)用靜力學(xué)模塊，設(shè)置一塊平板對(duì)橡膠實(shí)行140 mm的壓縮，如圖7（a）所示。圖7（b）所示為模擬工況3得到的U型橡膠的Y 方向形變量。由圖7（b）可以發(fā)現(xiàn)，橡膠的頂部圓弧面和底部均有收縮現(xiàn)象，頂部的收縮較為明顯，有5. 205 mm的收縮量，U型橡膠整體在Y 方向上收縮了6.209mm。

圖8所示為U型橡膠側(cè)壁厚度的形變。應(yīng)用圖8（a）所示的在靜力學(xué)模塊中插入指定路徑的方法，能夠得到側(cè)壁在這條路徑上的形變，得到路徑收縮量約為0. 246 mm，如圖8（b）所示。

圖9所示為U型橡膠長(zhǎng)度沿Z 方向的形變。圖9（a）所示為插入指定路徑方法得到Z 方向長(zhǎng)度的形變，如圖9（b）所示，路徑兩端向內(nèi)產(chǎn)生形變收縮，產(chǎn)生的收縮量為1. 772 mm。

應(yīng)用相同的方法，對(duì)工況1和工況2進(jìn)行了模擬，得到如表2所示的3種工況下H1、H2、H3的形變量。由表2可知，工況1下3個(gè)尺寸的形變量都很小，可忽略不計(jì)；而在工況2與工況3下，相應(yīng)尺寸之間的形變量較為接近。由表2可知，U型橡膠在常溫的環(huán)境下受壓后具有較強(qiáng)的回彈性，可恢復(fù)至原始尺寸，而溫度的降低使得橡膠產(chǎn)生較為明顯的收縮。

2U型橡膠外風(fēng)擋樣件試驗(yàn)分析

2. 1外風(fēng)擋樣件試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證上述仿真結(jié)果準(zhǔn)確性，制作了U型橡膠外風(fēng)擋樣件，并進(jìn)行了低溫試驗(yàn)，如圖10所示。圖11所示為試驗(yàn)過程展示，首先將外風(fēng)擋安裝在試驗(yàn)箱內(nèi)；然后，設(shè)置溫度為-40 ℃，并持續(xù)1 h；接著，采用工裝壓板對(duì)U型橡膠壓縮140 mm，維持30 min后松開。試驗(yàn)過程總共維持2 h，試驗(yàn)結(jié)束后拆除壓縮工裝并取出樣件，測(cè)試樣件的各尺寸H₁、H₂、H₃。

2. 2仿真結(jié)果與低溫試驗(yàn)比較分析

為了減小測(cè)量誤差每個(gè)尺寸均測(cè)量了3次，并計(jì)算了與原始尺寸對(duì)比的平均形變量，結(jié)果如表3所示。由表3可知，H₁、H₂、H₃尺寸測(cè)量值的平均形變量與仿真形變量分別存在1. 258、0. 013、0. 205 mm 的誤差。導(dǎo)致誤差產(chǎn)生的原因：一方面是在實(shí)際測(cè)量中H₁尺寸與H₃尺寸過大，選用鋼尺測(cè)量，缺少測(cè)量的精確度，且H₁尺寸頂部為圓弧面，底部為平面的測(cè)量方式，進(jìn)而加大了測(cè)量誤差，而H₂尺寸較小，使用游標(biāo)卡尺測(cè)量精確度較高；另一方面是由于橡膠低溫拉伸試驗(yàn)存在一定誤差，使擬合出的超彈性參數(shù)不夠準(zhǔn)確進(jìn)而導(dǎo)致仿真結(jié)果存在偏差。

結(jié)果表明，3個(gè)尺寸誤差都在較為合理范圍內(nèi)，因此證明了仿真結(jié)果的正確性。

3橡膠樣件試驗(yàn)方案

為研究外風(fēng)擋橡膠螺栓孔厚度方向形變與壓板厚度及低溫下的關(guān)系，以補(bǔ)充外風(fēng)擋試驗(yàn)中卡尺無法測(cè)量螺栓孔厚度方向的尺寸問題。圖12所示為準(zhǔn)備的1塊無壓條橡膠樣件及3塊安裝壓條橡膠樣件。其中，3塊安裝壓條橡膠樣件都按實(shí)際螺栓預(yù)緊要求進(jìn)行了預(yù)緊，兩側(cè)壓板厚度分別為4、5、6 mm。

首先測(cè)量各橡膠樣件3個(gè)螺栓孔處厚度的原始尺寸，分別用D₁、D₂、D₃ 表示，然后測(cè)量壓條預(yù)緊后的尺寸，之后將所有橡膠樣件放入試驗(yàn)箱內(nèi)，將試驗(yàn)箱溫度設(shè)置為-40 ℃，維持2 h。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)每個(gè)樣件3個(gè)螺栓孔處厚度進(jìn)行測(cè)量并拆除壓條后再次測(cè)量，記錄每次測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖13所示為壓條橡膠樣件在-40 ℃低溫后的照片。圖13（a）與圖13（b）分別為橡膠樣件的正視圖與壓條側(cè)的側(cè)視圖，圖13（c）、圖13（d）所示為拆除壓條后橡膠樣件所留下的壓痕，證明壓條經(jīng)過預(yù)緊對(duì)橡膠樣件造成一定程度的壓痕。

圖14為4種橡膠樣件螺栓孔厚度變化的折線圖。其中，圖14（a）、圖14（b）、圖14（c）對(duì)3種不同厚度壓條的橡膠樣件給出了3種不同情況下的螺栓孔厚度變化。預(yù)緊后4 mm壓條橡膠樣件發(fā)生了最多3 mm的形變，5 mm與6 mm壓條橡膠樣件均發(fā)生最多2 mm的形變；低溫后4 mm壓條橡膠樣件發(fā)生了接近0. 3 mm的形變，5 mm 與6 mm 壓條橡膠樣件發(fā)生的形變均在0. 2 mm左右；另外，拆除壓條后原本被預(yù)緊的橡膠發(fā)生回彈，4 mm壓條橡膠樣件發(fā)生了2 mm左右的回彈，5 mm與6 mm壓條橡膠樣件均發(fā)生1 mm左右的回彈，回彈后尺寸與原始尺寸相比均收縮1 mm左右。以上結(jié)果說明了使用4 mm的壓條相對(duì)于5mm和6 mm的壓條，橡膠沿著壓條方向各處的變形更加不均勻，處于螺栓預(yù)緊的部位被壓縮得較多，而位于2個(gè)螺栓中間的橡膠可能并沒有被壓緊，這可以從圖13（b）中明顯地觀察到。這是因?yàn)閴簵l的厚度較小時(shí)，壓條在被螺栓預(yù)緊后，其在橡膠的反力作用下產(chǎn)生了較大的變形，所以此時(shí)橡膠在承受高度方向的載荷時(shí)，主要由螺栓處的橡膠承載，而位于兩個(gè)螺栓中間部分的橡膠，由于并沒有被壓條壓實(shí)，無法提供承載能力，從而增加了螺栓處橡膠安裝孔的形變甚至脫孔的風(fēng)險(xiǎn)。這就要求在實(shí)際安裝過程中需要使用厚度得當(dāng)?shù)膲簵l使橡膠在受壓時(shí)受力更均勻，從而減小橡膠形變，避免發(fā)生脫孔的風(fēng)險(xiǎn)，這也可以作為一項(xiàng)重要的優(yōu)化參數(shù)。

4結(jié)論

通過對(duì)橡膠材料低溫拉伸試驗(yàn)測(cè)定其應(yīng)力-應(yīng)變曲線并使用超彈性本構(gòu)模型擬合，并對(duì)外風(fēng)擋進(jìn)行了有限元仿真與低溫試驗(yàn)，研究橡膠形變量的大小及其影響因素，主要結(jié)論如下：

1）橡膠材料通過低溫拉伸試驗(yàn)獲得應(yīng)力-應(yīng)變曲線，使用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型在0～150% 小應(yīng)變范圍內(nèi)進(jìn)行擬合曲線，擬合度較高，對(duì)橡膠超彈性參數(shù)確定具有一定參考價(jià)值。

2）基于試驗(yàn)獲得的超彈性參數(shù)，使用有限元與低溫試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了U型橡膠外風(fēng)擋在實(shí)際工況下的形變狀態(tài)。分析結(jié)果表明，U型橡膠外風(fēng)擋受外力作用時(shí)，頂部受壓的情況較為明顯，且具有較強(qiáng)的回彈性，低溫環(huán)境下，橡膠自身產(chǎn)生的收縮進(jìn)一步增大橡膠圓弧頂部的收縮。兩個(gè)相對(duì)安裝的外風(fēng)擋之間產(chǎn)生的這種收縮量，可能會(huì)使其間產(chǎn)生縫隙，從而造成一定的風(fēng)阻，以致增加列車運(yùn)行功耗。

3）基于低溫試驗(yàn)，進(jìn)一步研究不同厚度的壓條對(duì)橡膠樣件螺栓孔厚度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于5 mm與6 mm的壓條，采用4 mm的壓條時(shí)，由于螺栓預(yù)緊力作用致使壓條產(chǎn)生形變，同時(shí)橡膠件受壓形變不均，螺栓孔處發(fā)生過大形變，更加容易發(fā)生脫孔的風(fēng)險(xiǎn)。

4）低溫試驗(yàn)與有限元計(jì)算結(jié)果相互驗(yàn)證，這樣的方法可以大量減少重復(fù)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)判斷帶來的誤差，有效提升后續(xù)優(yōu)化效率，也同樣為U型橡膠外風(fēng)擋后續(xù)優(yōu)化提供有效方法。