有轨电车头罩粘接结构的有限元仿真分析

赵亚峰，杭 翔，韩东旭，李 刚，陈锡嘉

（1.中车大同电力机车有限公司，山西 大同 037038；2.上海逸发粘接化工科技有限公司，上海 201101）

关键字：有轨电车；粘接；仿真

随着新材料、新技术在轨道交通领域的应用越来越广泛，以及对轨道车辆产品不断提出的轻量化要求，粘接技术因其在连接不同性质结构材料上的突出优点而得到广泛应用[1]。特别是弹性胶粘接结构具有的应力分布相对均匀、隔音减噪效果较好以及防止不同材料在连接时产生电化学腐蚀问题等突出的优点，在轨道交通车辆的结构连接中起到了重要作用[2]。

本研究针对某型号的有轨电车车头的头罩、挡风玻璃和侧窗采用弹性胶粘接工艺部件的连接以及头罩粘接进行了重点分析。为了验证该粘接接头的强度在整个产品生命周期内是否满足使用要求，依据DIN 6701-3：2015-12《轨道交通车辆及车辆部件的粘接-第3部分：轨道交通车辆粘接接头的设计及验证指导手册》标准的相关要求，通过以下方式进行验证：①验证部件承受的应力小于应力极限；②对部件进行实验检测；③依据归档的经验数据。

在轨道车辆领域的部件体积通常都比较大，进行相应的实验测试往往需要专门的测试仪器且成本较高。而经验数据往往可靠性较低，且有较强的局限性。因此，可通过有限元分析的手段对部件进行计算分析，从而验证其强度是否满足要求，该方法在轨道车辆领域有着至关重要的意义。并且，基于仿真计算的结果，可得到相应玻璃钢头罩粘接的结构和工艺优化的建议[3]。

1 有轨电车粘接模型

1.1 有轨电车粘接几何模型及分析软件

有轨电车粘接几何模型主要由头罩、挡风玻璃、左/右侧窗玻璃、粘接胶条及车体钢结构组成（如图1左所示）。本研究采用Hypermesh法进行网格划分和前处理，用ABAQUS有限元分析软件进行仿真分析和后处理，并着重对头罩与车体的粘接结构，即头罩顶部胶条、头罩侧部胶条和头罩底部胶条（如图1右所示）进行有限元分析。ABAQUS软件可以分析复杂的结构力学问题，有着强大的计算能力，能够满足本研究的研究要求。

图1 有轨电车粘接模型几何结构示意图Fig.1 Schematic of geometric structure of tramcar bonded structure

1.2 材料参数

头罩结构的材料为玻璃钢，车体钢结构的材料为Q460钢，其密度、泊松比、弹性模量及热膨胀系数等基本材料参数均作为模型的材料信息输入参数。对于胶粘剂Sika265，除了以上基本的材料参数外，还需考虑不同温度下的拉伸强度、剪切强度、断裂伸长率、剪切伸长率、弹性模量、剪切蠕变强度及剪切疲劳强度等。其中，依据DIN 6701-3：2015-12标准的相关要求，强度和断裂伸长率数据按照DIN 54457：2007-09标准的规定：在23℃/50%相对湿度下浸泡7 d，之后进行80 ℃/1 d的高温处理，最后再进行7 d 70 ℃/100%相对湿度的封闭耐水老化试验，最终得到95%置信区间的特征值。同时还考虑了不同温度（-35 ℃、23 ℃和70 ℃）对弹性模量的影响。

2 有限元模型

2.1 网络模型

车体钢结构用20 mm基本尺寸的壳单元进行划分，整个车体做成共节点，不同厚度的部分分为不同的层，在有胶粘接的区域做局部细化；头罩网格以20 mm×20 mm×5 mm的基本尺寸采用体单元划分，在有胶粘接的区域做局部细化；整个有轨电车粘接模型坐标系的方向，车前进方向为X方向，竖直向上方向为Z方向，根据右手定则确定Y方向。

2.2 约束条件及载荷条件

考虑到车体下方最前部的转向架在分析结构的后方，固定边界设置为前车体后端结构限制X方向位移，车轮位置的结构限制Y、Z方向位移。根据实际工况的不同，确定了相应的载荷。

（1）静态载荷

整个结构在仅受重力的作用下，将胶层中相对最大应力与蠕变极限进行比较。

（2）动态载荷

按照DIN EN 12663-1：2015-03标准，得出X、Y和Z这3个方向的相对最大动态加速度以及气动压力数据。具体而言，动态载荷为X方向相对最大（±2）g的加速度，Y方向相对最大（±1）g的加速度和Z方向相对最大（±1）g的加速度，以及结构外部（±1 500）Pa的均匀气动压强的组合叠加，共计12个工况，如表1所示。其中，1 500 Pa的气动压强方向指向车内，-1 500 Pa的气动压强方向指向车外。

表1 动态载荷工况Tab.1 Dynamic load cases

（3）温差导致的热载荷

考虑温差导致的2侧基材的热膨胀系数不匹配的变形，依据车辆生产阶段和运营阶段的温度范围，使用5～40 ℃升温，30～-25℃降温这2种温度变化，将其分别叠加在应力相对最大的动态载荷工况上进行校核。

（4）疲劳载荷

按照DIN EN 12663-1：2015-03标准得出X、Y和Z这3个方向的相对最大疲劳加速度。具体而言，疲劳载荷X方向为（±0.2） g的加速度，Y方向为（±0.15） g的加速度和Z方向为（1±0.15） g的加速度之两两组合叠加共计8个工况。

3 结果与讨论

3.1 重力静载荷工况分析结果

头罩在重力静态载荷工况下，其头罩的相对最大剪应力为7.28e-2MPa，低于其承载极限（23 ℃剪切蠕变强度）的0.33 MPa，安全系数为4.53。在此工况下，头罩侧部粘接应力应变云图如图2所示。

图2 重力静载荷工况头罩侧部粘接剪切应力云图Fig.2 Shear stress field distribution diagram of front hood side bonding under gravitational load

3.2 动态载荷工况分析结果

计算得到的最大动态载荷工况为：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，以及结构外部-1 500 Pa的均匀气动压强的组合工况。在此工况的作用下，头罩粘接的最大Mises等效应力7.95e-1MPa低于其承载极限（23 ℃拉伸强度）7.1 MPa，最小安全系数8.93；最大Mises应变36.4%低于其承载极限（23 ℃拉伸断裂伸长率）358%，最小安全系数9.83。在此工况下，头罩侧部粘接应力应变云图如图3所示。

3.3 温差导致的热载荷与相对最大动载荷工况叠加分析结果

将相对最大的5～40 ℃温差导致的热载荷与相对最大动态载荷进行叠加，在得到相对最大温差导致的热载荷与相对最大动态载荷工况的叠加工况下，头罩侧部粘接应力应变云图如图4所示。头罩粘接的相对最大等效应力（Mises）为8.40e-1MPa，低于其承载极限（+40 ℃拉伸强度6.1 MPa），相对最小安全系数为7.26；相对最大Mises应变为38.6%，低于其承载极限（+40 ℃拉伸断裂伸长率）294%，相对最小安全系数为7.61。

图3 相对最大动态载荷工况头罩侧部粘接Mises应力和应变云图Fig.3 Mises stress and strain field distribution diagram of front hood side bonding under maximum dynamic load

图4 温差导致的热载荷与相对最大动态载荷叠加的相对最大载荷工况头罩侧部粘接Mises应力和应变云图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 疲劳载荷工况分析结果

相对最大疲劳载荷工况为：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，在疲劳加速度叠加工况下，头罩侧部粘接应力应变云图如图5所示。其中头罩粘接的相对最大剪切应力为1.68e-1MPa，低于其承载极限（23 ℃剪切疲劳强度）的0.34 MPa，相对最小安全系数为2.02。

图5 最大疲劳载荷工况头罩侧部粘接Mises应力和应变云图Fig.5 Mises stress and strain field distribution diagram of front hood side bonding under maximum fatigue load

4 结论

通过上述对有轨电车头罩不同粘接部位的有限元分析，得出这些部位的应力应变分布情况，并计算得出相应的安全系数，所有的载荷均小于对应的承载极限，从而验证了该头罩粘接结构在整个寿命周期内的可靠性。

而且，头罩粘接结构的安全系数相对最小的工况为在相对最大疲劳载荷工况（X方向为0.2 g的加速度，Y方向为-0.15 g的加速度和Z方向为-1.15 g的加速度，将其疲劳加速度进行叠加）下，头罩粘接的相对最大剪切应力为1.68e-1MPa，低于其承载极限（23 ℃剪切疲劳强度）0.34 MPa，相对最小安全系数为2.02，安全系数足够且相对较小。除了疲劳工况外的其余工况都有充足的安全系数。通过仿真计算的结果可以发现，多数工况下，应力集中在头罩侧部粘接胶条截面尺寸变化处，此处的应力峰值明显大于其他头罩粘接的胶条。因此，可以考虑此处的胶条截面设计，通过头罩和车体的局部几何结构更改，尽量保证相同胶条截面设计或更加平滑的胶条截面过渡设计，以降低此处的应力集中现象。