軌道車輛彎曲門板固化壓力分析研究

王孜凌 譚文才

摘 要：目前我國高速鐵路和城市軌道交通發展很快，為提高門系統生產效率，對軌道車輛門系統的關鍵部件彎曲門板固化采用了疊加固化新工藝。該文利用ANSYS/LS-DYNA軟件，以一個地鐵項目乘客室門板為例，分析了影響固化質量的主要影響因素——固化壓力，得到了減少門板疊加固化時門之間的間隙并接近0的所需外加壓力，并選擇了兩條地鐵線進行檢驗，證明了分析方法的可行性。

關鍵詞：彎曲門板 工藝 疊加放置 溫度控制 固化壓力

中圖分類號：TB114.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）04（b）-0069-02

該文利用以有限元分析法中的顯式非線性接觸分析方法為核心內容的ANSYS/LS-DYNA軟件[3]，以某地鐵項目乘客室門板為例，建立疊加固化的門板模型，進行疊加固化壓力模擬，得到最下面的門板之間間隙為0 mm時所需的最小外加壓力，并保證門板粘接固化后的輪廓度小于2.5 mm；并對天津、武漢兩條地鐵線乘客室門板進行試驗及檢測，來證明分析方法的可行性，從而為實際生產提供技術依據。

1 疊加固化壓力分析方法概述

某地鐵項目乘客室門板參數：長2 046 mm，寬805.5 mm，門板厚度32 mm，外圓弧半徑1 000 mm，圓弧對應角度11.12°（誤差±0.07°）。一批次疊加固化的門板數量為6扇。

通過分析計算得到門板疊加后的間隙為0.15 mm；根據公司門板通用技術條件，門板輪廓度有±0.5 mm的允許誤差，因此最大間隙將達到1.15 mm?？紤]上述極端的工況，即以每塊門板均有±0.5 mm的極限輪廓度誤差來建立有限元模型進行分析，依次疊加6套門板。

彎門疊加固化要滿足的要求，實際上就是通過加壓使門板變形后消除間隙，從而實現貼合表面壓力的傳遞。使間隙消除的最小壓力P0即為彎門固化需施加的外壓力，再考慮門板的角度，施加的壓力P應等于P0/cos（11.12°/2）。

為了精確模擬間隙的消除，需要非線性接觸分析，考慮到模型大接觸面存在難以收斂等問題，用實體塊代替門板，保留門板主要零部件。通過分段調整實體塊的彈性模量，使其在同等約束及加載條件下，與真實門板變形一致，即擬合原始門板的剛度；再采用實體塊進行固化壓力的分析，減小模型計算量。由于ANSYS隱式非線性分析也存在難以收斂的問題，采用顯式非線性接觸分析方法，即利用ANSYS/LS-DYNA軟件分析計算疊加固化壓力。

2 疊加固化壓力模型計算

2.1 建立門板模型

保留門板主要零部件，即門框型材及鋁蜂窩。代替的實體塊分為4段，采用不同的彈性模量，擬合原始門板的剛度，以相對應位置的10個節點的變形量作為評價指標。

對于原始門板，主要是鋁型材和鋁蜂窩。對以鋁型材作的門框，彈性模量為0.7e11Pa；對以蒙皮和蜂窩夾層構成的鋁蜂窩，彈性模量為7.55e9Pa。對于簡化實體塊，采用湊數的方式，分別微調4段實體的彈性模量。

采用四點鉸支約束，原始門板以及簡化實體塊的約束位置需相同。并且在同一位置處施加同等大小的壓力。

利用ANSYS/LS-DYNA軟件進行試算，取彈性模量為1.235×1010 Pa時，對原始門板、簡化門板各10個節點的相對應變形量較為一致，差值基本都在0.01 mm以下，因此，可以用簡化后的門板模型進行固化壓力模擬分析計算。

2.2 計算疊加固化壓力

相對于門板，上下壓?？梢暈閯傮w，即認為不產生變形。根據疊加的門板數為6扇，以最下方的外側輪廓度，由下往上依次偏置1個門板厚度，得到一個弧度最小的輪廓，以此輪廓設計上壓膜。此時，才能一層層使門板貼合。

由于門板有±0.5 mm的極限輪廓度誤差，采用間隔放置，即﹢0.5 mm、﹣0.5 mm、﹢0.5 mm……門板依次放置，形成間隙。包括上下壓模形成的空隙，有3組空隙在中間，4組空隙在兩端。其中，中部的空隙最大，達到1.15 mm。

要使間隙消除，實際上就是通過壓力使該處間隙上方的門板整體產生變形，因而位置越下的間隙，其上方的門板越多，抗彎剛度越大，消除間隙越困難。所以，只要最下方的間隙消除，其他間隙就能夠消除。

利用ANSYS/LS-DYNA軟件分析，必須根據實際材料的屬性設置，包括密度、彈性模量等，否則將得到不真實的接觸力。門板壓模為鋁，彈性模型為0.7e11Pa。分析計算時，通過逐漸增加外壓力（載荷），發現當表面施加壓力為150 kPa時，最下方門板中間的間隙剛好消除。

由上述得到，最下方門板之間的間隙最大，達到1.15 mm，要使固化壓力滿足要求，即需要克服門板的剛度，使門板變形從而消除間隙。利用ANSYS/LS-DYNA軟件分析，載荷△P加大至150 kPa，間隙剛好消除，此時圓弧段表面剛接觸，表面間相互作用力為0；而門板直線段由于與壓力方向成5.56°的夾角，故外加壓力為P=△P/cos（5.56）=151 kPa。

3 彎曲門板疊加固化試驗驗證

根據上述的有限元分析，如果采用6扇門板疊加固化的方法進行門板粘接固化生產，需要計算設備對門板施加的壓力參數。為了驗證理論計算的正確性，我們選擇了天津地鐵1號線加車和武漢地鐵1號線二期兩種乘客室門板分別進行了試驗，經過計算，門板之間的間隙均小于0.17 mm，可以采用6扇門板疊加固化的方式；在固化6扇彎曲門板時施加的壓力為151 kPa。

我們對經過疊加固化的6個批次的36扇門板進行了檢測，其門板輪廓度情況見表1。

從表1可以看出，采用疊加固化工藝生產的門板，門板輪廓度為1.169～2.377 mm，完全達到公司對門板的技術要求。

4 結語

固化壓力是彎曲門板疊加固化影響固化質量的重要因素，其數值直接與實際生產有關。該文通過建立門板模型，利用以有限元分析顯式非線性接觸分析方法為核心的ANSYS/LS-DYNA軟件，確定彎曲門板在固化時應施加的壓力值；選擇了兩種彎曲門板進行了包括施加固化壓力的疊加固化試驗，對固化后的門板輪廓度進行了檢測，檢測結果表明各項技術指標均達到了產品所需的要求，說明該文采用的固化壓力分析方法可行、可靠。

參考文獻

[1] 熊臘森.粘接手冊[M].機械工業出版社，2008：7-338.

[2] 馬長福.簡明粘接技術手冊[M].上?？茖W技術文獻出版社，2012.

[3] 李裕春.ANSYS10.0/LS-DYNA基礎理論與工程實踐[M].中國水利水電出版社，2006.