關(guān)于某地鐵車輛立扶手安裝的力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李斌斌 張國旺 丁潔瓊 李樹棟

一、引言

城市化進程加快以及城市人口的增加對城市軌道交通提出了越來越高的要求。作為緩解地面交通擁堵的“地下巨龍”——地鐵車輛的出現(xiàn)給人們的出行帶來了方便，當(dāng)然，地鐵車輛的可靠性和美觀性也是人們關(guān)注的焦點，本文就某地鐵車輛內(nèi)裝部件一中部扶手出現(xiàn)的相關(guān)問題進行分析，為類似地鐵車輛的結(jié)構(gòu)分析提供解決措施及分析方法。

二、問題描述

某地鐵部分車輛在實際運行過程中，發(fā)現(xiàn)在客室中部扶手下部安裝座與鋁蜂窩地板連接處地板有異響且在該處地板布出現(xiàn)起鼓現(xiàn)象，直接影響客室美觀性和乘客的舒適度，如圖1所示。

三、中部扶手結(jié)構(gòu)分析

某地鐵車輛的鋁蜂窩地板結(jié)構(gòu)如圖2所示：在鋁蜂窩地板上開有一圓形凹槽，凹槽中心為長方孔結(jié)構(gòu);在中部扶手下部安裝座處現(xiàn)場配孔，安裝鉚螺母;用M8的螺栓穿過橢圓形蓋板上的安裝孔，將中部扶手下部安裝座緊固在底架中部扶手橡膠安裝座上;在此過程中，蓋板使用艾不納8088結(jié)構(gòu)膠粘接在鋁蜂窩地板凹槽處。

四、現(xiàn)有模型的有限元分析

1、有限元模型的建立

在ABAQUS軟件中建立中部扶手下部安裝座與鋁蜂窩地板安裝結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖3所示，從圖中可以看出：主要部件從上到下依次為：中部扶手立扶手①、下部罩杯②、扶手安裝座③、蓋板④、鋁蜂窩地板⑤以及橡膠安裝座⑥。

2、材料屬性

中部扶手安裝結(jié)構(gòu)中各子件的材料層性如表1所列，其中橡膠安裝座中橡膠的物料屬性如表2所列。

3、載荷及約束

中部扶手在正常安裝工況下，載荷和約束情況如圖4所示，①與②、③與②、④與⑤（蓋板與鋁蜂窩地板凹槽之間用結(jié)構(gòu)膠連接，此次仿真將兩者聯(lián)接位置Tie綁定）Tie綁定，即假設(shè)各部件之間沒有相互移動;③與④、④與⑥之間設(shè)置為面接觸約束，中部扶手安裝座螺栓孔與橡膠安裝座鉚螺母孔之間建立BEAM剛性聯(lián)接來模擬正常工況下的螺栓聯(lián)接;橡膠安裝座、鋁蜂窩地板及中部扶手上部均約束所有的自由度，模擬完全固定工況。

在距離地面1.2m的位置定義作用點，定義單一方向的載荷F1，其中考慮車輛最大的加速度為制動時的1.2m/s²;且在極限工況下，共有9個體重為60kg的乘客用單手扶住中部立扶手。此時：F1=ma=9x60x1.2=648N。

4、應(yīng)力分析

在ABAQUS軟件中進行應(yīng)力計算，得出以下計算結(jié)果：分別取鋁蜂窩地板粘接位置橫向、縱向、垂向和切向4個方向的應(yīng)力云圖來分析，如圖5-8所示。

由圖5-8可以看出：結(jié)構(gòu)膠受到的力很大程度是由于立扶手受力造成下部結(jié)構(gòu)膠撕扯的作用，圖8中鋁蜂窩地板所受最大切應(yīng)力為6.87 Mpa，主要出現(xiàn)在鋁蜂窩地板凹槽的直角位置，很切合實際生產(chǎn)要求，因此，我們在實際安裝結(jié)構(gòu)中應(yīng)該盡量避免凹槽處的直角接觸。而由圖9可以看出平均應(yīng)力值最大值為6.59 Mpa，也出現(xiàn)在鋁蜂窩地板凹槽處。

中部扶手在正常安裝工況下，在ABAQUS軟件中進行應(yīng)力計算，取蓋板應(yīng)力及位移應(yīng)力云圖進行分析，如圖10、11所示。

在正常工況下，由圖10可以得到，蓋板所受最大平均應(yīng)力為92.91 MPa，出現(xiàn)在螺栓安裝孔的位置，而蓋板材料的屈服強度為SO MPa，所受應(yīng)力大于材料的屈服強度，而由圖11可以看出蓋板安裝孔位置的總位移為0.02mm，蓋板產(chǎn)生了小范圍的塑性變形。

同樣，在ABAQUS軟件中進行應(yīng)力計算，取蓋板與鋁蜂窩板凹槽粘接位置所受應(yīng)力進行分析，如圖12、13所示。表3為艾布納8088結(jié)構(gòu)膠強度測試結(jié)果。

圖8中鋁蜂窩地板所受最大切應(yīng)力為6.87 Mpa，小于艾布納8088結(jié)構(gòu)膠的強度，但在扶手受648 N縱向力的工況下，由圖12和13可以得到蓋板粘接位置所受剪切應(yīng)力為23.78 Mpa及平均應(yīng)力26.28 Mpa均大于膠固化48小時后的強度值14.98 Mpa，有脫膠的風(fēng)險，因此，蓋板與鋁蜂窩地板粘接位置脫膠導(dǎo)致出現(xiàn)起鼓和異響。

五、優(yōu)化方案

由圖2的客室中部扶手安裝結(jié)構(gòu)簡圖可以看出：

首先，蓋板與鋁蜂窩地板之間的接觸面積小且存在尖點接觸，更嚴重的是蓋板與鋁蜂窩地板凹槽四周的搭接量不均勻，在涂膠的過程中很容易出現(xiàn)粘接不良的現(xiàn)象;其次，蓋板與底架橡膠安裝座直接通過螺栓連接，若底架橡膠安裝座高出鋁蜂窩地板凹槽位置會頂起蓋板，若底架橡膠安裝座低于鋁蜂窩地板凹槽位置，蓋板與鋁蜂窩地板粘接后與底架橡膠座存在間隙，螺栓緊固過程中會是蓋板中間下陷;以上兩種情況都會導(dǎo)致蓋板脫膠，車輛運行過程中，在中部扶手下部位置地板很容易出現(xiàn)異響且該位置地板布有起鼓現(xiàn)象。

針對上述問題，對圖2的中部扶手安裝結(jié)構(gòu)給出以下改進建議及方案：

（1）將圖2中的蓋板直接去掉，采取的措施為：使用中心開φ72的開孔器將鋁蜂窩蓋板凹槽切除，使用緊固件將中部扶手下部安裝座直接緊固在底架橡膠安裝座上，如圖14所示。

（2）將原結(jié)構(gòu)中，蓋板與鋁蜂窩地板之間使用的艾不納8088結(jié)構(gòu)膠換為Lord 406，此膠粘撥性能更優(yōu)。

改進后模型的有限元分析

在ABAQUS軟件根據(jù)圖14所示的改進后的中部扶手結(jié)構(gòu)簡圖，建立如圖15所示的有限元模型，載荷施加與邊界約束跟改進前相同。

在ABAQUS軟件中對改進后的客室中部的扶手結(jié)構(gòu)進行計算，得出以下計算結(jié)果：取結(jié)構(gòu)膠連接位置應(yīng)力云圖進行分析。分別取鋁蜂窩地板粘接位置處橫向、縱向、垂向和切向4個方向的應(yīng)力云圖，如圖16～19所示。

由圖16～19可以看出：結(jié)構(gòu)膠受到的力很大程度是由于立扶手受力造成下部結(jié)構(gòu)撕扯的作用，即圖18中的受力為1.48 Mpa，沿著施力方向的應(yīng)力分布并不是最大的;而圖19中鋁蜂窩地板最大切應(yīng)力值為3.51 Mpa，出現(xiàn)在鋁蜂窩地板凹槽處;圖20為平均應(yīng)力云圖可以看出，應(yīng)力最大值為3.21 Mpa，同樣出現(xiàn)在鋁蜂窩地板凹槽處。

在ABAQUS軟件中對改進后的結(jié)構(gòu)進行計算，取蓋板應(yīng)力及位移分布進行分析，如圖21、22所示。

對改進后的結(jié)構(gòu)進行分析，由圖21可以看出：蓋板所受最大平均應(yīng)力值為12.5 1 UPa，而蓋板材料的屈服強度為80 UPa，所受應(yīng)力遠小于材料的屈服強度，在此工況下蓋板不會發(fā)生變形。

在ABAQUS軟件中對改進后的結(jié)構(gòu)進行計算，取蓋板與鋁蜂窩板凹槽粘接位置所受應(yīng)力進行分析，得到如圖23、24的應(yīng)力云圖。

根據(jù)表3的結(jié)構(gòu)膠參數(shù)可以得到：由圖19可以得到鋁蜂窩地板粘接位置最大切應(yīng)力3.51 Mpa，小于艾布納8088結(jié)構(gòu)膠的強度;由圖24可以得到蓋板粘接位置所受剪切應(yīng)力位10.81 Mpa，由圖23可以得到蓋板與鋁蜂窩板凹槽粘接處的平均應(yīng)力為9.73 Mpa，均小于艾布納8088結(jié)構(gòu)膠固化48小時后的強度值14.98 Mpa，無脫膠的風(fēng)險。整改方案中鋁蜂窩地板與蓋板粘接位置的應(yīng)力值均相對下降了大約50%;如果整改方案中將結(jié)構(gòu)膠艾布納8088可以替換成粘接性能更強的Lord 406，則更無脫膠風(fēng)險。

六、結(jié)論

通過以上分析，得出如下結(jié)論：

（1）正常工況下，扶手受縱向948N的力，鋁蜂窩地板粘接位置最大切應(yīng)力為6.87 Mpa，小于艾布納8088結(jié)構(gòu)膠的強度，但蓋板粘接位置所受剪切應(yīng)力26.28 Mpa及平均應(yīng)力為23.78 Mpa，均大于膠固化48小時后的強度值14.98 Mpa，有脫膠的風(fēng)險。

（2）正常工況下，扶手受縱向948N的力，蓋板所受最大平均應(yīng)力為92.91 UPa，而蓋板材料的最小屈服強度為80 UPa，所受應(yīng)力大于材料的屈服強度，蓋板產(chǎn)生了小范圍的塑性變形。

（3）改進工況下，扶手受縱向948N的力，鋁蜂窩地板粘接位置最大切應(yīng)力為3.5 1 Mpa，小于艾布納8088結(jié)構(gòu)膠的強度，蓋板粘接位置所受剪切應(yīng)力為10.81 Mpa及平均應(yīng)力為9.73 Mpa均小于膠固化48小時后的強度值14.98Mpa，無脫膠的風(fēng)險。

（4）改進工況下，扶手受縱向948N的力，蓋板所受最大平均應(yīng)力為12.5 1 UPa，而蓋板材料的屈服強度為80UPa，所受應(yīng)力遠小于材料的屈服強度，在此工況下蓋板無屈服風(fēng)險。

（5）改進后相對改進前而言，鋁蜂窩地板與蓋板粘接位置的應(yīng)力下降了約為50%，若將改進方案中的結(jié)構(gòu)膠艾布納8088替換成了粘接性能更強的Lord 406，則更無脫膠風(fēng)險。