高速列車設備艙橡膠密封條密封性能分析

高月華，兆文忠，陳秉智

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

為了減少高速列車運行中的空氣阻力和加強對車下懸掛裝置的保護，高速列車車下新增了設備艙結構.設備艙屬于非承載結構形式，其主要構件為裙板、裙板支架、設備吊裝框架、T型槽和底板，各構件間的連接大都通過螺栓固定.每個設備艙之間相對獨立，兩個相鄰的設備艙之間存在空隙.如遇雨雪天氣，由該空隙進入雨雪，將會使設備艙內環境惡化，甚至會影響列車的正常運行.為盡量避免設備艙內進入雨雪，在各設備艙的空隙間增加橡膠密封條，以增強高速列車在運行過程中設備艙的密封性.

本文以具有代表性的兩個相鄰的設備艙模塊為分析對象，考慮橡膠材料的超彈特性、幾何大變形，以及接觸非線性，采用子模型技術建模，應用ANSYS分析軟件對橡膠密封條進行密封性能分析.首先建立兩個設備艙的有限元模型，考慮氣動載荷對其進行分析以得到兩個設備艙裙板的相對變形;隨后建立橡膠密封條子模型，考慮安裝工況對橡膠密封條進行分析得到其初始變形;最后在初始變形的基礎上，提取設備艙裙板的相對變形值，對橡膠密封條進行密封性能分析.

1 基本理論及相關技術

1.1 橡膠材料超彈特性

橡膠是一種各項同性、可高度變形、高彈性和壓縮性較小的材料，它不僅具有類似于金屬材料的彈性性質，而且具有類似于粘性液體吸收能量的性質［1］.基于橡膠各向同性和體積近似不可壓縮的假設，用一個統一的物理量對橡膠進行表征具有重要意義，該物理量為應變能密度函數.應變能密度函數是一個應變或形變張量的標量函數，可表示為應變不變量或主拉伸率的函數:

式中，I1，I2，I3為應變張量的三個不變量;λ1，λ2，λ3為主拉伸率.由于簡單和實用，應用最為廣泛的應變能函數首選Mooney-Rivilin模型［2-3］.一般橡膠彈性體應變能密度函數可表示為兩參數的Mooney-Rivilin 模型［4］:

式中，C10，C01為橡膠類材料常數.

1.2 大變形分析理論

大應變(或大變形)發生時單元的形狀和取向都將改變，導致剛度改變.因為剛度受位移影響，因此在大應變分析中需要迭代求解來得到正確的位移.在大應變求解中，應力、應變輸入和結果將依據真實應力和真實應變.ANSYS非線性靜態分析是將載荷分解成一系列增量的載荷步，并且在每一載荷步內進行一系列線性逼近以達到平衡.ANSYS軟件使用基于Newton-Raphson法的迭代過程，用一系列線性近似值逐漸收斂于實際上的非線性解.Newton-Raphson方程為

式中，［K］i－1為第(i－1)次迭代的變形形狀得到的切向剛度矩陣;{Δu}i為位移向量增量，{Δu}i={u}i－ {u}i－1，其中 {u}i為當前迭代的位移向量;{FA}為外載荷向量;{FNR}i－1為第(i－1)次迭代位移的Newton-Raphson存貯載荷.每個子步載荷的劃分和最大平衡迭代數均可控制，平衡迭代進行到收斂或達到最大迭代次數限制為止.

1.3 接觸非線性

接觸問題是一種高度非線性行為，當表面發生接觸時，在接觸表面之間一般傳遞切向力和法向力.對于法向作用，接觸壓力和間隙的默認關系是硬接觸，其含義為接觸面之間能夠傳遞的接觸壓力的大小不受限制.當接觸壓力變為零或負值時，兩個接觸面分離，并且去掉相應節點上的接觸約束.對于切向作用，庫侖摩擦常用來描述接觸面之間相互作用的摩擦模型.該模型應用摩擦系數μ來表征兩個表面之間的摩擦行為.在表面拽力達到一個臨界剪應力之前，切向運動一直保持為零.臨界剪應力取決于法向接觸壓力:

式中，μ為摩擦系數;P為兩接觸面之間的接觸壓力.直到接觸之間的剪應力等于極限摩擦剪應力τcrit時，接觸面之間才會發生相對滑動.

1.4 子模型技術

子模型技術是得到模型部分區域更加精確解的有限單元技術.子模型是從整體模型中截取出來的一部分，子模型的邊界即為子模型在整體模型中的截斷位置，因此子模型應保持與整體模型的相對位置一致.首先將子模型的邊界節點輸出到整體模型中，提取整體模型對應位置的位移值，并將其輸出至子模型，作為子模型的邊界節點位移.

子模型方法基于圣維南原理，即如果實際分布載荷被等效載荷代替以后，應力和應變只在載荷施加的位置附近有改變.這說明只有在載荷集中位置才有應力集中效應，如果子模型的位置遠離應力集中位置，則子模型內就可以得到較精確的結果.

2 設備艙結構數值分析

分析對象為高速列車的兩個典型的設備艙模塊.考慮結構的對稱性，采用1/2模型進行分析，有限元模型如圖1所示.該有限元模型中不考慮橡膠結構，該分析的目的是為橡膠非線性接觸分析提供子模型的邊界條件.設備艙主要材料為鋼和鋁，其材料屬性見表1.本文主要考慮氣動載荷下密封條的密封性能，載荷工況見表2.圖2和圖3分別給出了設備艙在兩個工況下的變形圖.由兩圖可以看出兩個設備艙的裙板間有較明顯的相對位移.

圖1 設備艙有限元分析模型

圖2 工況1下設備艙的變形

圖3 工況2下設備艙的變形

表1 材料的物理屬性

表2 載荷工況 Pa

3 裙板密封條非線性接觸分析

3.1 裙板密封條子模型及接觸對

依據子模型選取的一般規則，選取裙板密封條子模型進行分析計算.裙板間的密封條如4所示，q其結構為一截面為環形的密封條，在安裝過程中兩橡膠條擠壓在一起起到密封作用.密封條材料為橡膠，采用模型為Mooney-Rivlin二參數模型，其參數分別為 1.84e3 kPa 和 0.47e3 kPa，其泊松比為0.47.在設備艙裙板受載荷變形時，密封條之間發生了面－面接觸.裙板子模型共定義了4個接觸對(如圖5).

圖4 裙板密封條子模型

圖5 子模型接觸對定義

3.2 邊界位移及載荷

考慮實際情況，首先分析安裝載荷下橡膠密封條的變形.分析安裝載荷下橡膠密封條擠壓狀態時僅施加安裝位移載荷，而分析氣動載荷下裙板密封條變形狀態時，子模型的邊界是提取設備艙模型的分析結果而來.具體工況見表3.

表3 裙板橡膠密封條子模型載荷工況

3.3 分析結果

裙板密封條在安裝工況下的變形圖如圖6所示，安裝后，相鄰兩裙板的密封條擠壓發生大變形，且接觸面積較大.氣動載荷下裙板密封條分析結果如圖7和圖8所示，與安裝工況下的變形(圖6)相比，兩密封條變形不再對稱，這是由于裙板厚度方向上的位移變化導致了兩密封條在該方向上有相對位移趨勢，而由于摩擦的存在，使之很難產生相對位移，從而使兩密封條產生不同變形.由圖7和圖8可以看出，裙板密封條在氣動載荷工況下密封性能良好.

圖6 工況1下裙板密封條變形

圖7 工況2下裙板密封條變形

4 結論

針對高速列車設備艙密封性的需求，本文以具有代表性的兩個設備艙為分析對象，考慮裙板安裝工況和氣動載荷工況，采用子模型技術對設備艙裙板橡膠密封條進行了密封性能的分析.結論如下:

(1)安裝工況下，橡膠密封條受到擠壓，變形較大，且接觸面積較大，密封非常好;

(2)氣動載荷工況下，裙板橡膠密封條有相對變形的趨勢，在接觸面上沒有產生滑動，仍保持較大的接觸面積，密封良好.

［1］廣廷洪，汪德濤.密封件使用手冊［M］.北京:機械工業出版社，1994.

［2］李曉芳，楊曉翔.橡膠材料的超彈性本構模型［J］.彈性體，2005，15(1):50-58.

［3］張振秀，聶軍，沈梅，等.ANSYS中超彈性模型及其在橡膠工程中的應用［J］.橡塑技術與裝備，2005，31(9):1-5.

［4］呂和祥.橡皮環大變形接觸問題［J］.應用數學和力學，1986，7(3):39-248.