石 芳 ,孫瑋光 ,陶春華

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,山東 青島 266111;2.中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266031)

近年來,隨著粘接技術(shù)的廣泛應(yīng)用及DIN 6701標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證體系在軌道車輛行業(yè)的普及,越來越多的車輛部件開始采用粘接來取代以往的鉚接、焊接等工藝,而在設(shè)計(jì)時(shí)保證車輛部件具有足夠的粘接強(qiáng)度對(duì)后續(xù)運(yùn)營及修程制定至關(guān)重要,以往的粘接強(qiáng)度計(jì)算大多根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)或采用近似計(jì)算來評(píng)估。本文以標(biāo)準(zhǔn)地鐵項(xiàng)目的前窗粘接結(jié)構(gòu)為例,對(duì)典型A1級(jí)粘接接頭進(jìn)行有限元分析,通過施加與線路相近的邊界載荷及進(jìn)行多維度的粘接應(yīng)力、應(yīng)變?cè)u(píng)估,驗(yàn)證粘接結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求。本文提供了一種有效、可信的有限元分析方法,為行業(yè)內(nèi)的粘接強(qiáng)度計(jì)算提供參考。

1 結(jié)構(gòu)及模型

標(biāo)準(zhǔn)地鐵統(tǒng)型的前窗粘接結(jié)構(gòu)為典型的搭接接頭(圖1),膠層粘接厚度為10 mm,有效搭接長(zhǎng)度為20 mm。端部為夾膠玻璃封邊膠與車體的對(duì)接接頭,此接頭主要起到密封防雨的作用,忽略對(duì)強(qiáng)度的影響,計(jì)算時(shí)不予評(píng)價(jià)。

圖1 前窗粘接結(jié)構(gòu)截面示意圖

前窗材質(zhì)為鋼化雙層夾膠玻璃,玻璃形狀為不規(guī)則的曲面,厚度為15 mm,最大對(duì)角尺寸取2 220 mm,玻璃采用SHELL單元模擬,粘接劑用SOLID 單元模擬。車體材質(zhì)為聚酯玻璃鋼,平均厚度為10 mm以上,且內(nèi)部有金屬骨架支撐,計(jì)算時(shí)將玻璃與車體間綁定并施加全約束。

2 載荷分析

2.1 溫度載荷

考慮運(yùn)營過程中的實(shí)際情況,膠層溫度按照-25～45℃計(jì)算,施工工藝控制溫度為15～30℃,運(yùn)行溫度與施工溫度間的最大溫差為55℃。

在粘接強(qiáng)度校核時(shí)除考慮溫差對(duì)膠層引起的熱膨脹的影響外,還應(yīng)考慮溫度對(duì)粘接力的影響,通過在粘接樣件施加不同溫度載荷得出溫度衰減因子的變化規(guī)律,如圖2所示。

圖2 溫度衰減因子

2.2 靜載及蠕變

靜載主要為粘接件自重即玻璃自重m及車輛加速度載荷,根據(jù)BS EN 12663:2000《鐵路設(shè)備 鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求》,前窗玻璃處于機(jī)車端部運(yùn)行期間所受載荷最大為:垂向3g、橫向1g、縱向3g。

在長(zhǎng)期的靜態(tài)載荷下作用下應(yīng)力會(huì)呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。通過對(duì)相同結(jié)構(gòu)的試樣進(jìn)行固定載荷試驗(yàn),得出拉伸剪切強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系,如圖3所示。

圖3 靜載衰減因子

2.3 動(dòng)載及疲勞

車輛在運(yùn)行過程中會(huì)受外界風(fēng)壓的影響,前窗位于車輛端部,內(nèi)外壓差與車速及線路情況均有影響。本文為驗(yàn)證實(shí)際風(fēng)壓數(shù)值,選取時(shí)速為120 km 速度級(jí)的地鐵在實(shí)際線路運(yùn)行時(shí)的壓差測(cè)量,通過在車輛前窗部位布置位移傳感器,測(cè)得的實(shí)際壓力波如圖4所示,可見最大壓差接近1 500 Pa,計(jì)算取整P△=1 500 Pa。另外根據(jù)BS EN 12663:2000,由軌道不平順引起的車輛疲勞載荷縱向和橫向?yàn)椤?.15g,垂向?yàn)?.15g。

圖4 前窗內(nèi)外壓差時(shí)域變化曲線

粘接力會(huì)隨著動(dòng)載荷及軌道交變載荷長(zhǎng)時(shí)間的影響而衰減。通過對(duì)制樣施加交變載荷(最大應(yīng)力為0.5 MPa、頻率為20Hz)得出粘接力的衰減系數(shù)如圖5所示。

圖5 動(dòng)載衰減系數(shù)

2.4 其它載荷

在實(shí)際線路運(yùn)行環(huán)境下,除溫度及載荷力的影響外,還要受到介質(zhì)(如洗車劑、雨水等)及紫外線輻射的影響,在膠層直接暴露在環(huán)境中時(shí)的環(huán)境影響衰減因子fm取值為0.8(通過試驗(yàn)獲取),本文考慮前窗的搭接接頭外層有密封接頭的保護(hù),fm近似取值為1。

3 模型計(jì)算

粘接劑的最大許用值見表1。各基材的材料參數(shù)可通過查詢標(biāo)準(zhǔn)及咨詢供應(yīng)商獲取。按照標(biāo)準(zhǔn)BS EN 12663:2000對(duì)模型施加加速度載荷,此處疊加軌道載荷后加速度載荷取值為:垂向4.15g、橫向1.15g、縱向3.15g,風(fēng)壓載荷P△取1 500 Pa(此處取對(duì)膠層影響較大的拉伸方向載荷,沿玻璃面由車內(nèi)垂直向外),載荷約束后的模型如圖6所示。根據(jù)有限元計(jì)算提取膠層的最大主應(yīng)力及最大主應(yīng)變,應(yīng)力云圖如圖7所示,結(jié)果如表2所示。

表1 粘接劑的許用值設(shè)定

表2 前窗應(yīng)力應(yīng)變最大值

圖6 加載示意圖

圖7 最大主應(yīng)力云圖

4 評(píng)估方法

4.1 等效應(yīng)力評(píng)估

按照標(biāo)準(zhǔn)DVS 1618:2002《軌道機(jī)車車輛中的彈性厚膜粘接》計(jì)算粘接膠的許用應(yīng)力,如式(1)所示:

式中:σZUI為許用應(yīng)力;σch為粘接劑的強(qiáng)度特征值,本文以西卡膠為例,σch取值4.5 MPa;fT為溫度影響因子,55℃時(shí)取值0.6;fM為環(huán)境影響因子,取值為1;fL為靜載影響因子,取值0.8;fD為動(dòng)載影響因子,疲勞次數(shù)10萬次時(shí)取值約0.2;fG為幾何影響因子,取值為1;S為安全系數(shù),取2。

通過式(1)計(jì)算出結(jié)構(gòu)膠的許用應(yīng)力約為0.22 MPa。

等效應(yīng)力評(píng)估:有限元計(jì)算采用Von Mises評(píng)判準(zhǔn)則:

式中:σV為前窗馮米塞斯應(yīng)力;σx、σy、σz為x、y、z方向法向應(yīng)力;τxy、τxz、τyz為xy、xz、yz平面內(nèi)剪切應(yīng)力。

計(jì)算得出σV為0.056 MPa。

4.2 膠體變形評(píng)估

膠體變形主要為溫度變化引起的膠體變形,按照下述公式進(jìn)行評(píng)估:

式中:s1為窗框在粘接方向的伸長(zhǎng)量,s2為玻璃在粘接方向的伸長(zhǎng)量,L0粘接面的最大跨度,T為溫度的變化,α2為玻璃的膨脹系數(shù),α1為粘接框的膨脹系數(shù),tanγ為許用剪切變形。

4.3 拉伸應(yīng)變?cè)u(píng)估

拉伸應(yīng)力引起的拉伸應(yīng)變?cè)u(píng)估如下:

式中:ε為前窗拉伸應(yīng)變最大值,tanγtension/compression為許用拉/壓應(yīng)變20%。

4.4 剪切應(yīng)變?cè)u(píng)估

剪切應(yīng)力引起的剪切應(yīng)變?cè)u(píng)估:

式中:γ為前窗剪切應(yīng)變最大值,tanγshear為許用剪切應(yīng)變50%。

根據(jù)以上計(jì)算公式計(jì)算得出各評(píng)估工況的安全系數(shù)如表3所示,安全系數(shù)一般會(huì)預(yù)留一定的設(shè)計(jì)余量,根據(jù)DVS 1618:2002,安全系數(shù)選擇S≥2。

表3 各評(píng)估校核安全系數(shù)

5 結(jié)論

(1) 本文通過對(duì)前窗粘接接頭應(yīng)力、應(yīng)變及膠層溫度變形等方面的評(píng)估計(jì)算,驗(yàn)證了該前窗粘接結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求,其中溫度引起的膠體變形的安全系數(shù)最小為3.85。

(2) 邊界載荷對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較大,本文選取了對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大的載荷并根據(jù)實(shí)際線路工況及試驗(yàn)驗(yàn)證得出較接近的載荷值,提高了計(jì)算的精確度。

(3) 本文提供了一種有效、可信的粘接計(jì)算方法,對(duì)后續(xù)的粘接強(qiáng)度計(jì)算及評(píng)估具有一定的參考意義。