高速列車U型橡膠外風(fēng)擋低溫下收縮性能分析

關(guān)鍵詞：U型橡膠外風(fēng)擋；Mooney-Rivlin 超彈性本構(gòu)模型；熱固耦合；有限元分析；低溫試驗

中圖分類號：U270 DOI：10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 01. 010

0引言

高速鐵路集中反映了一個國家鐵路線路結(jié)構(gòu)、列車牽引動力、高速運行控制、高速運輸組織等多方面的技術(shù)水平，代表了一個國家的整體科技和工業(yè)水平［1］。德國、日本等傳統(tǒng)制造業(yè)強國早在20世紀就開始了相應(yīng)的研究，進行了大量的理論與試驗工作［2］。我國于20世紀90年代開始發(fā)展高速鐵路技術(shù)，先后成功研制最大速度212. 6、240、321. 25 km/h的高速列車。其中，高速列車所用風(fēng)擋設(shè)計技術(shù)是四大連接技術(shù)之一［3］。高速動車組的風(fēng)擋分為內(nèi)風(fēng)擋和外風(fēng)擋兩部分：內(nèi)風(fēng)擋主要作為旅客安全通道，而外風(fēng)擋主要用來降低車輛運行時產(chǎn)生的噪聲，同時還使兩個車輛之間弧面連接平滑一致，以降低高速動車組運行時的空氣阻力［4］。高速列車外風(fēng)擋的主要形式有半包式裙板型橡膠外風(fēng)擋、半包式Ｕ型橡膠外風(fēng)擋、全包式外風(fēng)擋和隔音風(fēng)擋等［5］。

目前，對于高速列車外風(fēng)擋，許多學(xué)者從不同方面進行了研究。白夜等［6］進行了系統(tǒng)試驗，給出了研究風(fēng)擋腔內(nèi)流場氣動特性可行的試驗方案，此方案為局部減阻之后的研究提供依據(jù)。NIU等［7-8］分別對U型橡膠外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)在列車空氣動力作用下產(chǎn)生變形及振動問題進行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)氣動載荷的激勵頻率接近外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)固有頻率時易引起共振現(xiàn)象，此時會嚴重影響列車運行穩(wěn)定性、乘客舒適性以及外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)安全性。唐明贊等［9］采用計算流體力學(xué)數(shù)值計算的方法研究了外風(fēng)擋與車體外表面的安裝間距對風(fēng)擋氣動特性的影響規(guī)律。劉國慶等［10］針對不同車型，使用大渦模擬和基于FW-H方程的聲類比方法分析了高速列車氣動噪聲分布的特點。劉翰林等［11］采用數(shù)值模擬的方法對400 km/h的高速列車氣動聲學(xué)設(shè)計研究給予一定參考價值。楊加壽等［12］對不同風(fēng)擋形式的氣動性能進行研究，通過數(shù)值模擬的方法得出了上、下和兩側(cè)閉式的風(fēng)擋形式更適合高速列車的結(jié)論。蔡鑒明等［13-14］分別采用不同材料本構(gòu)模型，研究了模態(tài)試驗激勵點與響應(yīng)位置對模態(tài)參數(shù)的影響。DAI等［15］提出了一種混合方法來研究風(fēng)擋區(qū)域周圍的運動噪聲，為風(fēng)擋輻射氣動噪聲研究提供新思路。TANG等［16］通過雙向迭代非線性流固耦合模型仿真得到外風(fēng)擋周圍的流場特性，分析其振動機制及特性，為高速列車外風(fēng)擋的空氣彈性問題研究提供參考。譚蓮影等［17］探討了風(fēng)擋橡膠基材三元乙丙橡膠的防老體系、填充體系以及硫化體系對外風(fēng)擋橡膠材料性能的影響，并成功開發(fā)了性能滿足技術(shù)要求的風(fēng)擋橡膠材料。歐陽黎健等［18］分析了風(fēng)擋的應(yīng)用情況及相應(yīng)特點，為風(fēng)擋選型提供依據(jù)。高軍等［19］結(jié)合相關(guān)標準對外風(fēng)擋進行結(jié)構(gòu)分析及計算，從選材、減阻和隔聲方面對外風(fēng)擋的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化進行探討。

目前針對外風(fēng)擋的研究主要集中在氣動性能、噪聲、模態(tài)參數(shù)、選型等方面，而U型橡膠外風(fēng)擋的低溫性能尚未有研究。由于高速列車特殊的工作環(huán)境，在國內(nèi)由南到北的線路上存在從最高溫度40 ℃到最低溫度-40 ℃的可能性。本處于相互擠壓的兩U型橡膠，在低溫時其間可能會產(chǎn)生一定的縫隙，而當(dāng)外風(fēng)擋存在縫隙時，縫隙起到了導(dǎo)流作用，將高速氣流導(dǎo)入兩車連接處，導(dǎo)致列車風(fēng)阻增加，同時氣動噪聲也可能增強［20］。因此，對U型橡膠外風(fēng)擋低溫特性的研究尤為重要。

本文以半包式U型橡膠外風(fēng)擋為研究對象，采用有限元分析方法分別對3種工況下U型橡膠的收縮性進行研究并比較分析，使用低溫試驗分析的方法對工況3下的U型橡膠外風(fēng)擋低溫收縮性進行研究，然后對低溫試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果進行相互驗證，并研究了不同厚度壓條對橡膠螺栓孔厚度的影響。

1U型橡膠外風(fēng)擋的有限元分析

1. 1橡膠低溫性能

橡膠作為超彈性材料，具有材料非線性和幾何非線性的特點，為得到低溫-40 ℃下橡膠的力學(xué)性能，需對試樣在低溫環(huán)境下做拉伸試驗得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，為消除偶然因素的影響，本文采用4塊相同試樣進行試驗，試驗結(jié)果如圖1所示。

對橡膠試樣進行有限元分析時，主要難點在于本構(gòu)關(guān)系和接觸特性的定義和選擇，本文采用最常用的Mooney-Rivlin本構(gòu)模型分別對4塊試樣在0～150%應(yīng)變范圍內(nèi)做擬合［21］。該模型在伸長應(yīng)變?yōu)?00%之內(nèi)與壓縮應(yīng)變?yōu)?0% 之內(nèi)的中小變形有較好的適用性［22］。各試樣擬合曲線如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)，4塊試樣的試驗數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)重合度較高，可以用來描述三元乙丙橡膠的超彈性力學(xué)行為。取擬合重合度最高的試樣3得出的3個參數(shù)：C₁₀=13995、C₀₁=979 864、C₁₁=-1. 8111，作為有限元分析的橡膠本構(gòu)模型參數(shù)。

1. 2U型橡膠外風(fēng)擋的有限元模型

圖3（a）所示為U型橡膠模型及原始尺寸參數(shù)，高度H₁=243. 5mm，側(cè)壁厚度H₂=16.5 mm，長度H₃=400mm，圓弧頂部厚度為6mm，底部孔距為150mm。圖3（b）所示為裝配完整的U型橡膠外風(fēng)擋安裝示意圖，主要部件為U型橡膠、內(nèi)安裝條和底座框，并通過螺栓連接裝配。在處理模型時，螺栓部分進行相應(yīng)的簡化，便于后續(xù)的計算。

1. 3邊界條件

使用Ansys軟件計算低溫環(huán)境下U型橡膠的形變，需要利用溫度場與靜力結(jié)構(gòu)場耦合。在溫度場中需設(shè)定材料參數(shù)、模型接觸、網(wǎng)格劃分與溫度，U型橡膠材料使用的是前面擬合出的Mooney-Rivlin本構(gòu)模型參數(shù)，熱膨脹系數(shù)為2. 5×10^-4 ℃^-1；內(nèi)安裝條與底座框都為鋁合金材質(zhì)，彈性模量為71GPa，泊松比為0. 33，密度為2. 77g/cm³，熱膨脹系數(shù)為2. 3×10^-5 ℃^-1；接觸設(shè)置中U型橡膠與其他部件都為摩擦接觸，摩擦因數(shù)為0. 25，其余接觸默認為綁定，溫度根據(jù)實際工況設(shè)定。

如圖4所示，先設(shè)定好溫度場相關(guān)邊界條件進行計算，并將溫度場的計算結(jié)果輸入到靜力結(jié)構(gòu)場中作為計算邊界條件，進入靜力結(jié)構(gòu)場設(shè)定其余的邊界條件。

外風(fēng)擋實際安裝過程中，底座兩邊螺栓使用扭力扳手擰緊，轉(zhuǎn)矩為14 N·m，扭力系數(shù)為0. 13，螺栓選擇為M8，材料為A2-70，由扭力與預(yù)緊力換算公式可得預(yù)緊力為13. 5 kN，按實際安裝設(shè)定邊界條件，分析時2個底座框底部固定，邊界條件如圖5所示。

1. 5網(wǎng)格無關(guān)性驗證

在進行有限元分析時，由于外風(fēng)擋模型較為簡單，故無須做多余的簡化。將模型導(dǎo)入物理場，進行網(wǎng)格劃分，底座框底部做固定支撐，溫度場設(shè)定溫度-40 ℃求解。為了更加高效地完成有限元分析，首先使用Ansys軟件對劃分的網(wǎng)格與分析結(jié)果進行無關(guān)性驗證。橡膠部分采用六面體網(wǎng)格劃分方法，其余采用四面體網(wǎng)格劃分方法，對橡膠的前后端面與內(nèi)外圓弧面進行網(wǎng)格大小的設(shè)置，如圖6所示。經(jīng)計算得到的網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果如表1所示，其中M₁代表前、后端面，M₂代表內(nèi)、外圓弧面。

由表1可知，對局部網(wǎng)格進行加密，并不會導(dǎo)致最終結(jié)果有很大的變化，為提高計算效率，最終選擇了前、后截面網(wǎng)格尺寸為6mm，內(nèi)、外圓弧面網(wǎng)格尺寸為20mm。

1. 6實際工況與仿真結(jié)果分析

1. 6. 1實際工況

根據(jù)高速列車實際運行工況，在實際過彎時，內(nèi)側(cè)U型橡膠受壓，外側(cè)處于松開狀態(tài)，同時考慮溫度變化對橡膠的影響，給出3種模擬工況：①在常溫20 ℃下，U型橡膠外風(fēng)擋受擠壓后松開的形變狀態(tài)；② 初始溫度20 ℃，最終溫度-40 ℃，U型橡膠產(chǎn)生的形變狀態(tài)；③ 結(jié)合前兩種工況模擬低溫環(huán)境下U型橡膠受壓后松開的形變狀態(tài)。由于工況3結(jié)合了前兩種工況，因此下面對工況3進行重點分析。

1. 6. 2結(jié)果分析

根據(jù)工況3，設(shè)置初始溫度20 ℃ ，最終溫度-40 ℃，保持一段時間-40 ℃后，橡膠產(chǎn)生冷縮形變，再將橡膠壓縮140 mm，持續(xù)30 min后松開。仿真時，應(yīng)用靜力學(xué)模塊，設(shè)置一塊平板對橡膠實行140 mm的壓縮，如圖7（a）所示。圖7（b）所示為模擬工況3得到的U型橡膠的Y 方向形變量。由圖7（b）可以發(fā)現(xiàn)，橡膠的頂部圓弧面和底部均有收縮現(xiàn)象，頂部的收縮較為明顯，有5. 205 mm的收縮量，U型橡膠整體在Y 方向上收縮了6.209mm。

圖8所示為U型橡膠側(cè)壁厚度的形變。應(yīng)用圖8（a）所示的在靜力學(xué)模塊中插入指定路徑的方法，能夠得到側(cè)壁在這條路徑上的形變，得到路徑收縮量約為0. 246 mm，如圖8（b）所示。

圖9所示為U型橡膠長度沿Z 方向的形變。圖9（a）所示為插入指定路徑方法得到Z 方向長度的形變，如圖9（b）所示，路徑兩端向內(nèi)產(chǎn)生形變收縮，產(chǎn)生的收縮量為1. 772 mm。

應(yīng)用相同的方法，對工況1和工況2進行了模擬，得到如表2所示的3種工況下H1、H2、H3的形變量。由表2可知，工況1下3個尺寸的形變量都很小，可忽略不計；而在工況2與工況3下，相應(yīng)尺寸之間的形變量較為接近。由表2可知，U型橡膠在常溫的環(huán)境下受壓后具有較強的回彈性，可恢復(fù)至原始尺寸，而溫度的降低使得橡膠產(chǎn)生較為明顯的收縮。

2U型橡膠外風(fēng)擋樣件試驗分析

2. 1外風(fēng)擋樣件試驗方案

為驗證上述仿真結(jié)果準確性，制作了U型橡膠外風(fēng)擋樣件，并進行了低溫試驗，如圖10所示。圖11所示為試驗過程展示，首先將外風(fēng)擋安裝在試驗箱內(nèi)；然后，設(shè)置溫度為-40 ℃，并持續(xù)1 h；接著，采用工裝壓板對U型橡膠壓縮140 mm，維持30 min后松開。試驗過程總共維持2 h，試驗結(jié)束后拆除壓縮工裝并取出樣件，測試樣件的各尺寸H₁、H₂、H₃。

2. 2仿真結(jié)果與低溫試驗比較分析

為了減小測量誤差每個尺寸均測量了3次，并計算了與原始尺寸對比的平均形變量，結(jié)果如表3所示。由表3可知，H₁、H₂、H₃尺寸測量值的平均形變量與仿真形變量分別存在1. 258、0. 013、0. 205 mm 的誤差。導(dǎo)致誤差產(chǎn)生的原因：一方面是在實際測量中H₁尺寸與H₃尺寸過大，選用鋼尺測量，缺少測量的精確度，且H₁尺寸頂部為圓弧面，底部為平面的測量方式，進而加大了測量誤差，而H₂尺寸較小，使用游標卡尺測量精確度較高；另一方面是由于橡膠低溫拉伸試驗存在一定誤差，使擬合出的超彈性參數(shù)不夠準確進而導(dǎo)致仿真結(jié)果存在偏差。

結(jié)果表明，3個尺寸誤差都在較為合理范圍內(nèi)，因此證明了仿真結(jié)果的正確性。

3橡膠樣件試驗方案

為研究外風(fēng)擋橡膠螺栓孔厚度方向形變與壓板厚度及低溫下的關(guān)系，以補充外風(fēng)擋試驗中卡尺無法測量螺栓孔厚度方向的尺寸問題。圖12所示為準備的1塊無壓條橡膠樣件及3塊安裝壓條橡膠樣件。其中，3塊安裝壓條橡膠樣件都按實際螺栓預(yù)緊要求進行了預(yù)緊，兩側(cè)壓板厚度分別為4、5、6 mm。

首先測量各橡膠樣件3個螺栓孔處厚度的原始尺寸，分別用D₁、D₂、D₃ 表示，然后測量壓條預(yù)緊后的尺寸，之后將所有橡膠樣件放入試驗箱內(nèi)，將試驗箱溫度設(shè)置為-40 ℃，維持2 h。試驗結(jié)束后，對每個樣件3個螺栓孔處厚度進行測量并拆除壓條后再次測量，記錄每次測量數(shù)據(jù)。

圖13所示為壓條橡膠樣件在-40 ℃低溫后的照片。圖13（a）與圖13（b）分別為橡膠樣件的正視圖與壓條側(cè)的側(cè)視圖，圖13（c）、圖13（d）所示為拆除壓條后橡膠樣件所留下的壓痕，證明壓條經(jīng)過預(yù)緊對橡膠樣件造成一定程度的壓痕。

圖14為4種橡膠樣件螺栓孔厚度變化的折線圖。其中，圖14（a）、圖14（b）、圖14（c）對3種不同厚度壓條的橡膠樣件給出了3種不同情況下的螺栓孔厚度變化。預(yù)緊后4 mm壓條橡膠樣件發(fā)生了最多3 mm的形變，5 mm與6 mm壓條橡膠樣件均發(fā)生最多2 mm的形變；低溫后4 mm壓條橡膠樣件發(fā)生了接近0. 3 mm的形變，5 mm 與6 mm 壓條橡膠樣件發(fā)生的形變均在0. 2 mm左右；另外，拆除壓條后原本被預(yù)緊的橡膠發(fā)生回彈，4 mm壓條橡膠樣件發(fā)生了2 mm左右的回彈，5 mm與6 mm壓條橡膠樣件均發(fā)生1 mm左右的回彈，回彈后尺寸與原始尺寸相比均收縮1 mm左右。以上結(jié)果說明了使用4 mm的壓條相對于5mm和6 mm的壓條，橡膠沿著壓條方向各處的變形更加不均勻，處于螺栓預(yù)緊的部位被壓縮得較多，而位于2個螺栓中間的橡膠可能并沒有被壓緊，這可以從圖13（b）中明顯地觀察到。這是因為壓條的厚度較小時，壓條在被螺栓預(yù)緊后，其在橡膠的反力作用下產(chǎn)生了較大的變形，所以此時橡膠在承受高度方向的載荷時，主要由螺栓處的橡膠承載，而位于兩個螺栓中間部分的橡膠，由于并沒有被壓條壓實，無法提供承載能力，從而增加了螺栓處橡膠安裝孔的形變甚至脫孔的風(fēng)險。這就要求在實際安裝過程中需要使用厚度得當(dāng)?shù)膲簵l使橡膠在受壓時受力更均勻，從而減小橡膠形變，避免發(fā)生脫孔的風(fēng)險，這也可以作為一項重要的優(yōu)化參數(shù)。

4結(jié)論

通過對橡膠材料低溫拉伸試驗測定其應(yīng)力-應(yīng)變曲線并使用超彈性本構(gòu)模型擬合，并對外風(fēng)擋進行了有限元仿真與低溫試驗，研究橡膠形變量的大小及其影響因素，主要結(jié)論如下：

1）橡膠材料通過低溫拉伸試驗獲得應(yīng)力-應(yīng)變曲線，使用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型在0～150% 小應(yīng)變范圍內(nèi)進行擬合曲線，擬合度較高，對橡膠超彈性參數(shù)確定具有一定參考價值。

2）基于試驗獲得的超彈性參數(shù)，使用有限元與低溫試驗相結(jié)合的方法，研究了U型橡膠外風(fēng)擋在實際工況下的形變狀態(tài)。分析結(jié)果表明，U型橡膠外風(fēng)擋受外力作用時，頂部受壓的情況較為明顯，且具有較強的回彈性，低溫環(huán)境下，橡膠自身產(chǎn)生的收縮進一步增大橡膠圓弧頂部的收縮。兩個相對安裝的外風(fēng)擋之間產(chǎn)生的這種收縮量，可能會使其間產(chǎn)生縫隙，從而造成一定的風(fēng)阻，以致增加列車運行功耗。

3）基于低溫試驗，進一步研究不同厚度的壓條對橡膠樣件螺栓孔厚度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于5 mm與6 mm的壓條，采用4 mm的壓條時，由于螺栓預(yù)緊力作用致使壓條產(chǎn)生形變，同時橡膠件受壓形變不均，螺栓孔處發(fā)生過大形變，更加容易發(fā)生脫孔的風(fēng)險。

4）低溫試驗與有限元計算結(jié)果相互驗證，這樣的方法可以大量減少重復(fù)試驗和經(jīng)驗判斷帶來的誤差，有效提升后續(xù)優(yōu)化效率，也同樣為U型橡膠外風(fēng)擋后續(xù)優(yōu)化提供有效方法。