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模和城市規模的不斷發展，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，比常規傳統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及變形能力進行數值計算。

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)在水平面內并且與運動方向相同；Y軸(垂直與車輛縱軸)在水平面內；Z軸(垂直于車輛縱軸)在豎直平面內，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。整體單元總數為442 575，節點總數為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，各材料性能參數見表2。

2.3 載荷工況確定

2.3.1 環境因素

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

2.3.2 載荷分析

根據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,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，根據合同及車輛運行狀態定義了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。