摘要：城市轨道车辆前窗通过胶粘剂固定在车体上，分析了140km／h速度下前窗粘接结构。利用hypermesh建立了包含车体和司机室前窗的有限元分析模型，基于ANSYS分析了不同载荷工况下胶粘剂受力及变形情况，结合DVS1618标准对胶粘剂的粘接强度进行了校核。计算结果表明：该设计安装结构满足车辆运行安全的需求。
关键词：城轨车辆；前窗；粘接强度
0引言
随着我国大中型城市的人口规模和城市规模的不断发展，140km／h城市轨道车辆将越来越多地得到应用。此类型车辆具有线路长、站间距大等特点，成为大中型城市有效缩短出行时间、缓解城市交通压力、满足城市发展的首选手段。作为车辆组成的一部分，司机室前窗粘接结构的可靠性直接影响车辆行车安全。尤其140km／h城市轨道车辆速度较高，比常规传统地铁受力情况更加复杂。因此前窗粘接强度必须满足设计要求，并有一定的安全冗余。本文基于ANSYS对140km／h城市轨道车辆前窗的安装结构及粘接强度进行校核。
1前窗结构及安装方式
前窗玻璃为三层夹胶结构，根据司机室前窗弧度制造，外层为单层钢化玻璃，中间为PVB胶膜，内层为单层钢化玻璃。前窗玻璃通过结构胶粘剂直接粘接在车体司机室玻璃钢框架上，前窗安装结构及效果如图1所示。结构胶选择聚氨酯胶粘剂SIKA268，是一种铁路专用胶粘剂，具有优异的抗老化及抗紫外线性能，适用温度范围为－35℃～40℃。
2建立有限元分析模型
针对弹性胶粘剂的强度校核，重点关注弹性胶粘剂的变形量。传统的公式计算难以有效表达，本文采用有限元分析计算方法对弹性胶在各工况下的受力状态及变形能力进行数值计算。
2．1有限元模型的建立
如图2所示定义全局坐标系，整个坐标系符合右手法则。X轴（对应车辆的纵轴）在水平面内并且与运动方向相同；Y轴（垂直与车辆纵轴）在水平面内；Z轴（垂直于车辆纵轴）在竖直平面内，正方向向上。在hypermesh中建立部分车体有限元模型，其中包括前窗、粘接胶以及车体等。为减少工作总量，选取包含司机室车头的部分车体结构建立有限元模型，如图3所示，前窗同车头之间的粘接胶粘剂细化模型如图4所示。整体单元总数为442575，节点总数为425363。
2．2材料属性定义
前窗玻璃为钢化玻璃，车体安装面材质为聚酯玻璃钢，车体主结构为铝合金，粘接结构胶为聚氨酯胶粘剂SIKA268。前窗玻璃及车体安装面表面处理方式及相关材料见表1，各材料性能参数见表2。
2．3载荷工况确定
2．3．1环境因素
根据合同要求，车辆需满足－35℃～40℃、海拔高度≤1500m运用环境，能够承受风、雨、雪、烟雾、煤尘和偶有沙尘暴的环境要求，最高运营速度为140km／h，持续运营速度为80km／h。
2．3．2载荷分析
根据BSEN12663—1—2010《铁路应用———铁路车辆车体的结构要求》第1部分：机车和客运车辆（以及货车的一种选择方法）第6．5．2条，前窗玻璃处于机车端部，故其在机车运行期间所受动载荷如下：纵向为3g，横向为1g，垂向为3g。其余主要载荷考虑140km／h速度下前窗所受±2000Pa的气动载荷和玻璃自重。静载极限工况定义见表3。
2．4仿真计算结果
根据工况运用有限元计算软件ANSYS分别计算LC1～LC8工况下前窗的粘接强度。根据载荷工况和计算结果可知：气动载荷对整个粘接结构的影响较大，LC7和LC8工况为前窗玻璃粘接受力最恶劣工况。仿真得到的LC7工况、LC8工况下胶层的应力分布云图如图5、图6所示，LC7工况、LC8工况下胶层的位移变形云图如图7、图8所示。由仿真结果可以看出：LC8工况下胶粘剂所受最大应力为0．08MPa，最大位移变形量为0．15mm。
3胶粘剂的强度校核
通过式（1）计算得到所用聚氨酯胶粘胶的许用应力为0．3MPa。仿真计算结果为0．08MPa，安全系数为0．3／0．08＝3．75，满足聚氨酯胶粘剂强度要求。胶粘剂变形量仿真计算结果为0．15mm，小于安装面胶粘剂厚度5mm，安全系数为5／0．15＝33．3，满足聚氨酯胶粘剂变形量的要求。
4结论
本文针对时速140km／h城市轨道交通车辆前窗粘接结构进行强度校核，根据合同及车辆运行状态定义了8种不同工况，并进行了受力分析及强度校核。计算结果表明：该结构满足行车安全需要，可应用于城市轨道交通车辆的前窗粘接结构。
参考文献：
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作者:石启龙 刘斌 单位:中车青岛四方股份机车车辆股份有限公司
