有軌電車頭罩粘接結構的有限元仿真分析

趙亞峰，杭 翔，韓東旭，李 剛，陳錫嘉

（1.中車大同電力機車有限公司，山西 大同 037038；2.上海逸發粘接化工科技有限公司，上海 201101）

關鍵字：有軌電車；粘接；仿真

隨著新材料、新技術在軌道交通領域的應用越來越廣泛，以及對軌道車輛產品不斷提出的輕量化要求，粘接技術因其在連接不同性質結構材料上的突出優點而得到廣泛應用[1]。特別是彈性膠粘接結構具有的應力分布相對均勻、隔音減噪效果較好以及防止不同材料在連接時產生電化學腐蝕問題等突出的優點，在軌道交通車輛的結構連接中起到了重要作用[2]。

本研究針對某型號的有軌電車車頭的頭罩、擋風玻璃和側窗采用彈性膠粘接工藝部件的連接以及頭罩粘接進行了重點分析。為了驗證該粘接接頭的強度在整個產品生命周期內是否滿足使用要求，依據DIN 6701-3：2015-12《軌道交通車輛及車輛部件的粘接-第3部分：軌道交通車輛粘接接頭的設計及驗證指導手冊》標準的相關要求，通過以下方式進行驗證：①驗證部件承受的應力小于應力極限；②對部件進行實驗檢測；③依據歸檔的經驗數據。

在軌道車輛領域的部件體積通常都比較大，進行相應的實驗測試往往需要專門的測試儀器且成本較高。而經驗數據往往可靠性較低，且有較強的局限性。因此，可通過有限元分析的手段對部件進行計算分析，從而驗證其強度是否滿足要求，該方法在軌道車輛領域有著至關重要的意義。并且，基于仿真計算的結果，可得到相應玻璃鋼頭罩粘接的結構和工藝優化的建議[3]。

1 有軌電車粘接模型

1.1 有軌電車粘接幾何模型及分析軟件

有軌電車粘接幾何模型主要由頭罩、擋風玻璃、左/右側窗玻璃、粘接膠條及車體鋼結構組成（如圖1左所示）。本研究采用Hypermesh法進行網格劃分和前處理，用ABAQUS有限元分析軟件進行仿真分析和后處理，并著重對頭罩與車體的粘接結構，即頭罩頂部膠條、頭罩側部膠條和頭罩底部膠條（如圖1右所示）進行有限元分析。ABAQUS軟件可以分析復雜的結構力學問題，有著強大的計算能力，能夠滿足本研究的研究要求。

圖1 有軌電車粘接模型幾何結構示意圖Fig.1 Schematic of geometric structure of tramcar bonded structure

1.2 材料參數

頭罩結構的材料為玻璃鋼，車體鋼結構的材料為Q460鋼，其密度、泊松比、彈性模量及熱膨脹系數等基本材料參數均作為模型的材料信息輸入參數。對于膠粘劑Sika265，除了以上基本的材料參數外，還需考慮不同溫度下的拉伸強度、剪切強度、斷裂伸長率、剪切伸長率、彈性模量、剪切蠕變強度及剪切疲勞強度等。其中，依據DIN 6701-3：2015-12標準的相關要求，強度和斷裂伸長率數據按照DIN 54457：2007-09標準的規定：在23℃/50%相對濕度下浸泡7 d，之后進行80 ℃/1 d的高溫處理，最后再進行7 d 70 ℃/100%相對濕度的封閉耐水老化試驗，最終得到95%置信區間的特征值。同時還考慮了不同溫度（-35 ℃、23 ℃和70 ℃）對彈性模量的影響。

2 有限元模型

2.1 網絡模型

車體鋼結構用20 mm基本尺寸的殼單元進行劃分，整個車體做成共節點，不同厚度的部分分為不同的層，在有膠粘接的區域做局部細化；頭罩網格以20 mm×20 mm×5 mm的基本尺寸采用體單元劃分，在有膠粘接的區域做局部細化；整個有軌電車粘接模型坐標系的方向，車前進方向為X方向，豎直向上方向為Z方向，根據右手定則確定Y方向。

2.2 約束條件及載荷條件

考慮到車體下方最前部的轉向架在分析結構的后方，固定邊界設置為前車體后端結構限制X方向位移，車輪位置的結構限制Y、Z方向位移。根據實際工況的不同，確定了相應的載荷。

（1）靜態載荷

整個結構在僅受重力的作用下，將膠層中相對最大應力與蠕變極限進行比較。

（2）動態載荷

按照DIN EN 12663-1：2015-03標準，得出X、Y和Z這3個方向的相對最大動態加速度以及氣動壓力數據。具體而言，動態載荷為X方向相對最大（±2）g的加速度，Y方向相對最大（±1）g的加速度和Z方向相對最大（±1）g的加速度，以及結構外部（±1 500）Pa的均勻氣動壓強的組合疊加，共計12個工況，如表1所示。其中，1 500 Pa的氣動壓強方向指向車內，-1 500 Pa的氣動壓強方向指向車外。

表1 動態載荷工況Tab.1 Dynamic load cases

（3）溫差導致的熱載荷

考慮溫差導致的2側基材的熱膨脹系數不匹配的變形，依據車輛生產階段和運營階段的溫度范圍，使用5～40 ℃升溫，30～-25℃降溫這2種溫度變化，將其分別疊加在應力相對最大的動態載荷工況上進行校核。

（4）疲勞載荷

按照DIN EN 12663-1：2015-03標準得出X、Y和Z這3個方向的相對最大疲勞加速度。具體而言，疲勞載荷X方向為（±0.2） g的加速度，Y方向為（±0.15） g的加速度和Z方向為（1±0.15） g的加速度之兩兩組合疊加共計8個工況。

3 結果與討論

3.1 重力靜載荷工況分析結果

頭罩在重力靜態載荷工況下，其頭罩的相對最大剪應力為7.28e-2MPa，低于其承載極限（23 ℃剪切蠕變強度）的0.33 MPa，安全系數為4.53。在此工況下，頭罩側部粘接應力應變云圖如圖2所示。

圖2 重力靜載荷工況頭罩側部粘接剪切應力云圖Fig.2 Shear stress field distribution diagram of front hood side bonding under gravitational load

3.2 動態載荷工況分析結果

計算得到的最大動態載荷工況為：X方向2 g的加速度，Y方向0 g的加速度和Z方向-1 g的加速度，以及結構外部-1 500 Pa的均勻氣動壓強的組合工況。在此工況的作用下，頭罩粘接的最大Mises等效應力7.95e-1MPa低于其承載極限（23 ℃拉伸強度）7.1 MPa，最小安全系數8.93；最大Mises應變36.4%低于其承載極限（23 ℃拉伸斷裂伸長率）358%，最小安全系數9.83。在此工況下，頭罩側部粘接應力應變云圖如圖3所示。

3.3 溫差導致的熱載荷與相對最大動載荷工況疊加分析結果

將相對最大的5～40 ℃溫差導致的熱載荷與相對最大動態載荷進行疊加，在得到相對最大溫差導致的熱載荷與相對最大動態載荷工況的疊加工況下，頭罩側部粘接應力應變云圖如圖4所示。頭罩粘接的相對最大等效應力（Mises）為8.40e-1MPa，低于其承載極限（+40 ℃拉伸強度6.1 MPa），相對最小安全系數為7.26；相對最大Mises應變為38.6%，低于其承載極限（+40 ℃拉伸斷裂伸長率）294%，相對最小安全系數為7.61。

圖3 相對最大動態載荷工況頭罩側部粘接Mises應力和應變云圖Fig.3 Mises stress and strain field distribution diagram of front hood side bonding under maximum dynamic load

圖4 溫差導致的熱載荷與相對最大動態載荷疊加的相對最大載荷工況頭罩側部粘接Mises應力和應變云圖Fig.4 Mises stress and strain field distribution diagram of front hood side bonding under maximum superposition of maximum dynamic laod and temperature variation

3.4 疲勞載荷工況分析結果

相對最大疲勞載荷工況為：X方向的加速度0.2 g、Y方向的加速度-0.15 g和Z方向的加速度-1.15 g，在疲勞加速度疊加工況下，頭罩側部粘接應力應變云圖如圖5所示。其中頭罩粘接的相對最大剪切應力為1.68e-1MPa，低于其承載極限（23 ℃剪切疲勞強度）的0.34 MPa，相對最小安全系數為2.02。

圖5 最大疲勞載荷工況頭罩側部粘接Mises應力和應變云圖Fig.5 Mises stress and strain field distribution diagram of front hood side bonding under maximum fatigue load

4 結論

通過上述對有軌電車頭罩不同粘接部位的有限元分析，得出這些部位的應力應變分布情況，并計算得出相應的安全系數，所有的載荷均小于對應的承載極限，從而驗證了該頭罩粘接結構在整個壽命周期內的可靠性。

而且，頭罩粘接結構的安全系數相對最小的工況為在相對最大疲勞載荷工況（X方向為0.2 g的加速度，Y方向為-0.15 g的加速度和Z方向為-1.15 g的加速度，將其疲勞加速度進行疊加）下，頭罩粘接的相對最大剪切應力為1.68e-1MPa，低于其承載極限（23 ℃剪切疲勞強度）0.34 MPa，相對最小安全系數為2.02，安全系數足夠且相對較小。除了疲勞工況外的其余工況都有充足的安全系數。通過仿真計算的結果可以發現，多數工況下，應力集中在頭罩側部粘接膠條截面尺寸變化處，此處的應力峰值明顯大于其他頭罩粘接的膠條。因此，可以考慮此處的膠條截面設計，通過頭罩和車體的局部幾何結構更改，盡量保證相同膠條截面設計或更加平滑的膠條截面過渡設計，以降低此處的應力集中現象。