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摘要：城市軌道車輛前窗通過膠粘劑固定在車體上，分析了140km／h速度下前窗粘接結(jié)構(gòu)。利用hypermesh建立了包含車體和司機(jī)室前窗的有限元分析模型，基于ANSYS分析了不同載荷工況下膠粘劑受力及變形情況，結(jié)合DVS1618標(biāo)準(zhǔn)對(duì)膠粘劑的粘接強(qiáng)度進(jìn)行了校核。計(jì)算結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)安裝結(jié)構(gòu)滿足車輛運(yùn)行安全的需求。

關(guān)鍵詞：城軌車輛；前窗；粘接強(qiáng)度

0引言

隨著我國(guó)大中型城市的人口規(guī)模和城市規(guī)模的不斷發(fā)展，140km／h城市軌道車輛將越來越多地得到應(yīng)用。此類型車輛具有線路長(zhǎng)、站間距大等特點(diǎn)，成為大中型城市有效縮短出行時(shí)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(jī)室前窗粘接結(jié)構(gòu)的可靠性直接影響車輛行車安全。尤其140km／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(fù)雜。因此前窗粘接強(qiáng)度必須滿足設(shè)計(jì)要求，并有一定的安全冗余。本文基于ANSYS對(duì)140km／h城市軌道車輛前窗的安裝結(jié)構(gòu)及粘接強(qiáng)度進(jìn)行校核。

1前窗結(jié)構(gòu)及安裝方式

前窗玻璃為三層夾膠結(jié)構(gòu)，根據(jù)司機(jī)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(jié)構(gòu)膠粘劑直接粘接在車體司機(jī)室玻璃鋼框架上，前窗安裝結(jié)構(gòu)及效果如圖1所示。結(jié)構(gòu)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℃。

2建立有限元分析模型

針對(duì)彈性膠粘劑的強(qiáng)度校核，重點(diǎn)關(guān)注彈性膠粘劑的變形量。傳統(tǒng)的公式計(jì)算難以有效表達(dá)，本文采用有限元分析計(jì)算方法對(duì)彈性膠在各工況下的受力狀態(tài)及變形能力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2．1有限元模型的建立

如圖2所示定義全局坐標(biāo)系，整個(gè)坐標(biāo)系符合右手法則。X軸（對(duì)應(yīng)車輛的縱軸）在水平面內(nèi)并且與運(yùn)動(dòng)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。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(jī)室車頭的部分車體結(jié)構(gòu)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(xì)化模型如圖4所示。整體單元總數(shù)為442575，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為425363。

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(jié)構(gòu)為鋁合金，粘接結(jié)構(gòu)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(guān)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≤1500m運(yùn)用環(huán)境，能夠承受風(fēng)、雨、雪、煙霧、煤塵和偶有沙塵暴的環(huán)境要求，最高運(yùn)營(yíng)速度為140km／h，持續(xù)運(yùn)營(yíng)速度為80km／h。

2．3．2載荷分析

根據(jù)BSEN12663—1—2010《鐵路應(yīng)用———鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》第1部分：機(jī)車和客運(yùn)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(jī)車端部，故其在機(jī)車運(yùn)行期間所受動(dòng)載荷如下：縱向?yàn)?g，橫向?yàn)?g，垂向?yàn)?g。其余主要載荷考慮140km／h速度下前窗所受±2000Pa的氣動(dòng)載荷和玻璃自重。靜載極限工況定義見表3。

2．4仿真計(jì)算結(jié)果

根據(jù)工況運(yùn)用有限元計(jì)算軟件ANSYS分別計(jì)算LC1～LC8工況下前窗的粘接強(qiáng)度。根據(jù)載荷工況和計(jì)算結(jié)果可知：氣動(dòng)載荷對(duì)整個(gè)粘接結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)果可以看出：LC8工況下膠粘劑所受最大應(yīng)力為0．08MPa，最大位移變形量為0．15mm。

3膠粘劑的強(qiáng)度校核

通過式（1）計(jì)算得到所用聚氨酯膠粘膠的許用應(yīng)力為0．3MPa。仿真計(jì)算結(jié)果為0．08MPa，安全系數(shù)為0．3／0．08＝3．75，滿足聚氨酯膠粘劑強(qiáng)度要求。膠粘劑變形量仿真計(jì)算結(jié)果為0．15mm，小于安裝面膠粘劑厚度5mm，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(jié)論

本文針對(duì)時(shí)速140km／h城市軌道交通車輛前窗粘接結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，根據(jù)合同及車輛運(yùn)行狀態(tài)定義了8種不同工況，并進(jìn)行了受力分析及強(qiáng)度校核。計(jì)算結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)滿足行車安全需要，可應(yīng)用于城市軌道交通車輛的前窗粘接結(jié)構(gòu)。

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作者:石啟龍 劉斌 單位:中車青島四方股份機(jī)車車輛股份有限公司