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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速度下前窗粘接結構。利用hypermesh建立了包含車體和司機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，結合DVS1618標準對膠粘劑的粘接強度進行了校核。計算結果表明：該設計安裝結構滿足車輛運行安全的需求。
關鍵詞：城軌車輛；前窗；粘接強度
0引言
隨著我國大中型城市的人口規模和城市規模的不斷發展，140km／h城市軌道車輛將越來越多地得到應用。此類型車輛具有線路長、站間距大等特點，成為大中型城市有效縮短出行時間、緩解城市交通壓力、滿足城市發展的首選手段。作為車輛組成的一部分，司機室前窗粘接結構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，比常規傳統地鐵受力情況更加復雜。因此前窗粘接強度必須滿足設計要求，并有一定的安全冗余。本文基于ANSYS對140km／h城市軌道車輛前窗的安裝結構及粘接強度進行校核。
1前窗結構及安裝方式
前窗玻璃為三層夾膠結構，根據司機室前窗弧度制造，外層為單層鋼化玻璃，中間為PVB膠膜，內層為單層鋼化玻璃。前窗玻璃通過結構膠粘劑直接粘接在車體司機室玻璃鋼框架上，前窗安裝結構及效果如圖1所示。結構膠選擇聚氨酯膠粘劑SIKA268，是一種鐵路專用膠粘劑，具有優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
針對彈性膠粘劑的強度校核，重點關注彈性膠粘劑的變形量。傳統的公式計算難以有效表達，本文采用有限元分析計算方法對彈性膠在各工況下的受力狀態及變形能力進行數值計算。
2．1有限元模型的建立
如圖2所示定義全局坐標系，整個坐標系符合右手法則。X軸（對應車輛的縱軸）在水平面內并且與運動方向相同；Y軸（垂直與車輛縱軸）在水平面內；Z軸（垂直于車輛縱軸）在豎直平面內，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，選取包含司機室車頭的部分車體結構建立有限元模型，如圖3所示，前窗同車頭之間的粘接膠粘劑細化模型如圖4所示。整體單元總數為442575，節點總數為425363。
2．2材料屬性定義
前窗玻璃為鋼化玻璃，車體安裝面材質為聚酯玻璃鋼，車體主結構為鋁合金，粘接結構膠為聚氨酯膠粘劑SIKA268。前窗玻璃及車體安裝面表面處理方式及相關材料見表1，各材料性能參數見表2。
2．3載荷工況確定
2．3．1環境因素
根據合同要求，車輛需滿足－35℃～40℃、海拔高度≤1500m運用環境，能夠承受風、雨、雪、煙霧、煤塵和偶有沙塵暴的環境要求，最高運營速度為140km／h，持續運營速度為80km／h。
2．3．2載荷分析
根據BSEN12663—1—2010《鐵路應用———鐵路車輛車體的結構要求》第1部分：機車和客運車輛（以及貨車的一種選擇方法）第6．5．2條，前窗玻璃處于機車端部，故其在機車運行期間所受動載荷如下：縱向為3g，橫向為1g，垂向為3g。其余主要載荷考慮140km／h速度下前窗所受±2000Pa的氣動載荷和玻璃自重。靜載極限工況定義見表3。
2．4仿真計算結果
根據工況運用有限元計算軟件ANSYS分別計算LC1～LC8工況下前窗的粘接強度。根據載荷工況和計算結果可知：氣動載荷對整個粘接結構的影響較大，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。由仿真結果可以看出：LC8工況下膠粘劑所受最大應力為0．08MPa，最大位移變形量為0．15mm。
3膠粘劑的強度校核
通過式（1）計算得到所用聚氨酯膠粘膠的許用應力為0．3MPa。仿真計算結果為0．08MPa，安全系數為0．3／0．08＝3．75，滿足聚氨酯膠粘劑強度要求。膠粘劑變形量仿真計算結果為0．15mm，小于安裝面膠粘劑厚度5mm，安全系數為5／0．15＝33．3，滿足聚氨酯膠粘劑變形量的要求。
4結論
本文針對時速140km／h城市軌道交通車輛前窗粘接結構進行強度校核，根據合同及車輛運行狀態定義了8種不同工況，并進行了受力分析及強度校核。計算結果表明：該結構滿足行車安全需要，可應用于城市軌道交通車輛的前窗粘接結構。
參考文獻：
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作者:石啟龍 劉斌 單位:中車青島四方股份機車車輛股份有限公司
