楊國紀 姚騰達 劉 威

(中車株洲電力機車有限公司 湖南 株洲 412001)

0 概述

目前國內的地鐵車輛頭罩多采用玻璃鋼材質，造型復雜，制造誤差大；車體骨架多采用鋁型材或不銹鋼焊接工藝，焊接變形量大。若頭罩安裝采用機械連接結構，則會導致安裝困難，容易產生大量應力集中；而采用粘接工藝能夠彌補頭罩和車體安裝誤差，降低安裝難度，減少機械連接造成的應力集中和局部變形，同時能夠起到密封、絕緣、耐腐蝕等作用。但是如何驗證頭罩粘接后的強度能夠滿足要求，并降低后期產品制造使用風險一直是頭罩粘接的重點和難點[1]。下文以某項目頭罩粘接結構為研究對象，通過有限元仿真軟件對頭罩粘接接頭進行仿真分析，研究粘接后強度的安全性和可靠性。

1 頭罩結構及粘接方案

頭罩采用內外側聚酯玻璃鋼中間填充泡沫的夾層結構設計，與車體粘接處采用折邊設計加厚到50 mm，增大粘接面積，保證粘接強度。聚酯玻璃鋼主要起到抗沖擊作用，而中間泡沫夾芯層主要起到降噪隔熱作用。頭罩在結構上預留有前窗玻璃的安裝接口，前窗玻璃通過粘接的形式固定在頭罩上。

頭罩粘接采用聚氨酯膠黏劑，膠黏劑具有高抗剪切強度、耐腐蝕、抗老化等特點。下文選用的粘接方案為：頭罩與車體之間粘接采用單組份聚氨酯膠黏劑，膠層厚度范圍為：8～14 mm。

2 有限元模擬計算

2.1 建立模型

根據粘接方案，建立2種粘接模型，模型1：膠層厚度為公差范圍最小值8 mm；模型2：膠層厚度為公差范圍最大值14 mm。

頭罩部分的三維幾何模型局部視圖如圖1所示。前部的頭罩部分為聚酯玻璃鋼，后部為鋁合金車體結構。定義沿車頭前進的方向為X方向，車體寬度方向為Y方向，垂直于軌面，指向車體高度方向為Z方向，坐標系符合右手定則。

車體部分為殼單元，頭罩、粘接膠層和前窗玻璃為實體單元。膠層網格模型為六面體單元，且厚度方向有5層網格。頭罩部分網格劃分如圖2所示，粘接處膠層局部放大圖如圖3所示。

圖1 頭罩局部放大圖

圖2 頭罩部分網格劃分圖3 粘接接頭膠層局部放大圖

2.2 車輛運行環(huán)境

車輛設計最高運行速度：80 km/h；

平均運行速度：不小于36 km/h；

最大風速：20.7 m/s；

極端最低溫度：-12 ℃；

極端最高溫度：+45 ℃。

2.3 材料參數

車體采用鋁合金，頭罩為夾層聚酯玻璃鋼，前窗為玻璃，各材料的參數如表1所示。膠黏劑的參數如表2所示。

表1 部件材料參數

表2 部件材料參數

2.4 載荷工況

載荷工況主要包括：頭罩粘接結構受到的靜態(tài)載荷；不同方向的整體加速度疊加后的動態(tài)載荷；基材兩側結構熱膨脹系數不同導致的變形加上結構整體的均布氣動載荷；結構的疲勞載荷。

靜態(tài)載荷：頭罩僅受重力作用下，其最大應力與蠕變極限及松弛極限相比較。計算結果得到頭罩靜態(tài)載荷下的膠層剪切應力最大值。

動態(tài)載荷：包括動態(tài)加速度和氣動載荷。其中：X，Y，Z三個方向的最大動態(tài)加速度參考 DIN EN 12663-1標準，氣動載荷參數來自于類似產品試驗數據如表3所示。

表3 動態(tài)載荷工況

溫差導致的熱載荷：溫差導致熱膨脹系數不匹配的變形，車輛生產階段和運營階段的溫度范圍如下：車輛運行的環(huán)境溫度，-12 ℃～+45 ℃；車輛生產階段溫度，+10 ℃～+35 ℃，即最大溫升為+35 ℃，最大溫度降低為-47 ℃。要求考慮2個不同材料結構間的熱膨脹系數不匹配導致的膠層相對變形，并將最大溫度升高和溫度降低熱變形疊加到應力最大的工況。

疲勞載荷：根據DIN EN 12663-1標準，頭罩在X，Y，Z三個方向的最大疲勞加速度如表4所示。因為疲勞工況為長期載荷的工況，理論上經歷的溫度為使用溫度范圍內的平均作用，所以不考慮溫差疊加因素。

表4 疲勞載荷工況

2.5 安全系數選取

該有限元模型對于這些動態(tài)載荷仿真的精度較高，但也受限于整體網格的質量和材料質量的分散性，因此綜合評估取1.5的安全系數。

3 計算結果分析

3.1 靜態(tài)載荷工況

通過對模型1和模型2加載靜態(tài)載荷得到仿真計算結果如表5和圖4所示。

表5 靜態(tài)載荷計算結果

圖4 靜載荷工況下兩種模型應力應變云圖

根據膠黏劑材料參數蠕變測量數據(見圖5)，膠黏劑在0.225 MPa的力的作用下，膠層蠕變量約為1.8 mm，蠕變剪切應變約為36%。表5中模型1和模型2的靜態(tài)載荷下的最大剪切應力分別為0.099 MPa和0.085 MPa，遠小于0.225 MPa，并且該款膠黏劑松弛極限大于50%的剪切應變，因此可以確保靜態(tài)蠕變工況下粘接接頭安全。

圖5 膠黏劑蠕變測試(膠層厚度5 mm)

3.2 動態(tài)載荷工況

通過對粘接模型1的12種動態(tài)載荷工況計算結果對比，得出粘接接頭在DLC9工況達到最大的應力應變。因此，對于粘接模型2用DCL9工況進行計算，得到該模型條件下的最大應力應變值，仿真結果如表6、表7和圖6所示。

表6 動態(tài)載荷DLC9工況最大應力

表7 動態(tài)載荷DLC9工況最大應變

圖6 DCL9工況下兩種模型應力及應變云圖

根據表6、表7中的數據，計算得到的最小的安全系數為7.1，因此，在動態(tài)載荷下頭罩粘接結構滿足安全要求。

3.3 溫差導致的熱載荷

對粘接模型1、2的DLC9工況與最高和最低使用溫度工況進行疊加，得到最大溫差導致的熱載荷與最大動態(tài)載荷工況疊加后的最大應力應變值，仿真結果如表8、表9和圖7所示。

表8 熱載荷與DLC9工況疊加應力

表9 熱載荷與DLC9工況疊加應變

圖7 熱載荷與DCL9工況疊加下兩種模型應力與應變云圖

根據表6、表7中的數據,計算得到的應力最小的安全系數為2.7，應變最小的安全系數為5.5。因此由于溫差導致的熱載荷與最大動態(tài)載荷工況疊加下粘接接頭安全，并有一定的冗余量。

3.4 疲勞載荷工況

通過對粘接模型1的8種疲勞載荷工況進行計算，粘接接頭在FLC7工況達到最大的疲勞應力。

因此，對于粘接模型2用FLC7工況進行計算即得到該模型條件下的最大應力應變值，仿真結果如表10和圖8所示。

表10 疲勞工況應力

圖8 FLC7工況下兩種模型應力應變云圖

根據表10中的數據,頭罩粘接接頭在疲勞工況下計算得到的最小安全系數為5.5，因此疲勞載荷工況下粘接接頭滿足安全要求。

4 結束語

由于膠黏劑本身的特殊性，高安全等級結構粘接部件的強度校核一直都是粘接結構設計的重點和難點。上文通過對軌道車輛頭罩粘接接頭在靜態(tài)載荷、動態(tài)載荷、熱載荷及疲勞載荷等工況條件下的有限元分析計算，以及膠黏劑在不同工況下產生的應力和應變，結合膠黏劑本身的特性，對粘接接頭的安全性能進行了評估，可為軌道交通車輛部件粘接安全設計提供參考。