城市軌道車輛前窗粘接強度校核分析*

石啟龍,劉 斌

(中車青島四方股份機車車輛股份有限公司，山東 青島 266031)

0 引言

隨著我國大中型城市的人口規(guī)模和城市規(guī)模的不斷發(fā)展，140 km/h城市軌道車輛將越來越多地得到應用。此類型車輛具有線路長、站間距大等特點，成為大中型城市有效縮短出行時間、緩解城市交通壓力、滿足城市發(fā)展的首選手段。

作為車輛組成的一部分，司機室前窗粘接結構的可靠性直接影響車輛行車安全。尤其140 km/h城市軌道車輛速度較高，比常規(guī)傳統(tǒng)地鐵受力情況更加復雜。因此前窗粘接強度必須滿足設計要求，并有一定的安全冗余。本文基于ANSYS對140 km/h城市軌道車輛前窗的安裝結構及粘接強度進行校核。

1 前窗結構及安裝方式

前窗玻璃為三層夾膠結構，根據(jù)司機室前窗弧度制造，外層為單層鋼化玻璃，中間為PVB膠膜，內(nèi)層為單層鋼化玻璃。前窗玻璃通過結構膠粘劑直接粘接在車體司機室玻璃鋼框架上，前窗安裝結構及效果如圖1所示。結構膠選擇聚氨酯膠粘劑SIKA268，是一種鐵路專用膠粘劑，具有優(yōu)異的抗老化及抗紫外線性能，適用溫度范圍為-35 ℃～40 ℃。

圖1 前窗安裝結構及效果

2 建立有限元分析模型

針對彈性膠粘劑的強度校核，重點關注彈性膠粘劑的變形量。傳統(tǒng)的公式計算難以有效表達，本文采用有限元分析計算方法對彈性膠在各工況下的受力狀態(tài)及變形能力進行數(shù)值計算。

2.1 有限元模型的建立

如圖2所示定義全局坐標系，整個坐標系符合右手法則。X軸(對應車輛的縱軸)在水平面內(nèi)并且與運動方向相同；Y軸(垂直與車輛縱軸)在水平面內(nèi)；Z軸(垂直于車輛縱軸)在豎直平面內(nèi)，正方向向上。

圖2 定義坐標系

在hypermesh中建立部分車體有限元模型，其中包括前窗、粘接膠以及車體等。為減少工作總量，選取包含司機室車頭的部分車體結構建立有限元模型，如圖3所示，前窗同車頭之間的粘接膠粘劑細化模型如圖4所示。整體單元總數(shù)為442 575，節(jié)點總數(shù)為425 363。

圖3包含司機室車頭的部分車體三維模型圖4前窗同車頭之間的粘接膠粘劑細化模型

2.2 材料屬性定義

前窗玻璃為鋼化玻璃，車體安裝面材質(zhì)為聚酯玻璃鋼，車體主結構為鋁合金，粘接結構膠為聚氨酯膠粘劑SIKA268。前窗玻璃及車體安裝面表面處理方式及相關材料見表1，各材料性能參數(shù)見表2。

2.3 載荷工況確定

2.3.1 環(huán)境因素

根據(jù)合同要求，車輛需滿足-35 ℃～40 ℃、海拔高度≤1 500 m運用環(huán)境，能夠承受風、雨、雪、煙霧、煤塵和偶有沙塵暴的環(huán)境要求，最高運營速度為140 km/h，持續(xù)運營速度為80 km/h。

表1 前窗玻璃及車體安裝面表面處理方式

表2 各材料性能參數(shù)

2.3.2 載荷分析

根據(jù)BS EN12663—1—2010《鐵路應用——鐵路車輛車體的結構要求》第1部分：機車和客運車輛(以及貨車的一種選擇方法)第6.5.2條，前窗玻璃處于機車端部，故其在機車運行期間所受動載荷如下：縱向為3g，橫向為1g，垂向為3g。其余主要載荷考慮140 km/h速度下前窗所受±2 000 Pa的氣動載荷和玻璃自重。靜載極限工況定義見表3。

2.4 仿真計算結果

根據(jù)工況運用有限元計算軟件ANSYS分別計算LC1～LC8工況下前窗的粘接強度。根據(jù)載荷工況和計算結果可知:氣動載荷對整個粘接結構的影響較大，LC7和LC8工況為前窗玻璃粘接受力最惡劣工況。

仿真得到的LC7工況、LC8工況下膠層的應力分布云圖如圖5、圖6所示，LC7工況、LC8工況下膠層的位移變形云圖如圖7、圖8所示。由仿真結果可以看出:LC8工況下膠粘劑所受最大應力為0.08 MPa，最大位移變形量為0.15 mm。

表3 靜載極限工況定義

圖5 LC7工況下膠層的應力分布云圖圖6 LC8工況下膠層的應力分布云圖圖7 LC7工況下的位移變形云圖圖8 LC8工況下的位移變形云圖

3 膠粘劑的強度校核

按照標準DVS1618計算膠粘劑的許用應力σZUI：

(1)

其中：σch為拉伸剪切應力，σch=1.3 MPa;fT為溫度影響因子，fT=0.7;fM為環(huán)境影響因子,fM=0.72;fL為靜載影響因子，fL=1;fD為動載影響因子,fD=1;fG為幾何影響因子,fG=0.9；S為安全系數(shù),S=2。

通過式(1)計算得到所用聚氨酯膠粘膠的許用應力為0.3 MPa。仿真計算結果為0.08 MPa，安全系數(shù)為0.3/0.08=3.75，滿足聚氨酯膠粘劑強度要求。

膠粘劑變形量仿真計算結果為0.15 mm，小于安裝面膠粘劑厚度5 mm，安全系數(shù)為5/0.15=33.3，滿足聚氨酯膠粘劑變形量的要求。

4 結論

本文針對時速140 km/h城市軌道交通車輛前窗粘接結構進行強度校核，根據(jù)合同及車輛運行狀態(tài)定義了8種不同工況，并進行了受力分析及強度校核。計算結果表明：該結構滿足行車安全需要，可應用于城市軌道交通車輛的前窗粘接結構。