一种高速动车侧窗粘接强度的快速分析方法
【专利摘要】本发明涉及一种高速动车侧窗粘接强度的快速分析方法，车体和粘接剂、玻璃、窗框在有限元建模的时候采用整体建模与局部建模相结合的方法，车体采用大尺寸单元建模，粘接剂、玻璃、窗框采用小尺寸单元建模，首先对车体进行强度分析获得车体变形的位移，然后采用三角形面积插值法实现车体变形位移到粘接剂位移的传递，最后将插值获得的位移加载到粘接剂、玻璃、窗框的有限元模型上，考虑侧窗的实际工况并提交计算，从而快速对粘接剂的粘接强度进行分析，为后期粘接结构的强度校核和轻量化设计奠定基础。本文提出一种高速动车侧窗粘接强度的快速计算方法，能够减少重复建模，降低工作量；减少有限元模型单元数量，提高计算效率。
【专利说明】
一种高速动车侧窗粘接强度的快速分析方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高速动车侧窗粘接强度的快速分析方法，更具体而言，涉及一种 应用于高速动车侧窗与车体粘接强度的快速分析方法。
【背景技术】
[0002] 高速动车的侧窗与车体采用粘接的形式连接，在采用有限元方法对粘接强度进行 分析的过程中，车体、玻璃、窗框一般采用壳单元，粘接剂采用体单元。传统分析方法通常只 能将车体车窗和粘接剂整体建模，考虑到粘接剂厚度方向尺寸很小，因此在有限元建模的 时候车体单元尺寸不能太大，这将使得车体有限元模型的节点和单元数量高达数百万，而 且当粘接剂的尺寸重新设计的时候，车体、玻璃、粘接剂、窗框的有限元模型的修改工作量 非常巨大，这不仅会大大延长分析周期，同时对硬件设施也有了更苛刻的要求。
【发明内容】
[0003] 本发明提出一种高速动车侧窗粘接强度的快速分析方法，能够减少重复建模，降 低工作量;减少有限元模型单元数量，提高计算效率。
[0004] -种高速动车侧窗粘接强度的快速分析方法，窗框3通过窗框与车体粘接剂2与车 体1粘接在一起，玻璃5通过玻璃与窗框粘接剂4与窗框3粘接在一起，具体分析方法如下：
[0005] 步骤一:建立车体1的大尺寸单元有限元模型；
[0006] 步骤二:建立窗框与车体粘接剂2、玻璃与窗框粘接剂4、玻璃5、窗框3的小尺寸单 元有限元模型；
[0007] 步骤三:在各个工况下，对车体1大尺寸有限元模型进行强度分析，获得车体上所 有节点变形的位移；
[0008] 步骤四：以窗框与车体粘接剂2有限元模型上表面，即与车体1粘接接触面上，任意 节点〇所在坐标为圆心，查找车体1有限元模型下表面，即与窗框与车体粘接剂2粘接接触面 上，一定半径R内的所有节点；
[0009] 步骤五:计算步骤四找到的节点与点0之间的距离，根据距离由近到远进行排序， 并依次命名为1，2,3,4,5……；
[0010]步骤六:判断点〇是否落在点1，2，3组成的三角形内部，若点0在点1，2，3组成的三 角形内部，则进行下一步;若点〇不在点1，2,3组成的三角形内部，则依次判断点（1，2,4)， (1，2,5)，（1，3,4)，（1，3,5)，（1，4,5)，（2,3,4)，（2,3,5)，（2,4,5)，（3,4,5)组成的三角形， 若三点共线，则判断下一组的三个点，直到点〇落在一个三角形内部为止，然后进行下一步；
[0011] 步骤七:通过步骤六找到点〇落在某三角形内部，假设组成该三角形的三节点为A、 B、C，分别计算点0ΑΒ、0AC、0BC、ABC组成三角形的面积，记为3_、SQAC、S·、SABC;
[0012] 步骤八:根据步骤三车体1有限元模型在各个工况下的强度分析，已经获得车体所 有节点在XYZ方向的平动位移及转动位移，假设节点A在XYZ三个方向的平动位移为D XA、DYA、 Dza，节点A在XYZ三个方向的转动位移为1^、^、1^，同理，节点8、(：在父￥2方向的平动位移及 转动位移分别为 Dxb、Dyb、Dzb、Rxb、Ryb、Rzb、Dxc、Dyc、Dzc、Rxc、Ryc、Rzc;
[0013] 步骤九:根据点A、B、C在XYZ方向的平动与转动位移，采用三角形面积插值的方法， 获得点〇在XYZ方向的平动与转动位移Dxo、Dyo、Dzo、Rxo、Ryo、Rzo，
[0014] 具体插值如下：
[0021] 步骤十:根据步骤四到步骤九获得窗框与车体粘接剂2有限元模型上表面，即与车 体1粘接接触面上所有节点在XYZ方向的平动与转动位移；
[0022] 步骤十一:将窗框与车体粘接剂2有限元模型上表面，即与车体1粘接接触面上所 有节点在XYZ方向的平动与转动位移，加载到步骤二建立的窗框与车体粘接剂2、玻璃与窗 框粘接剂4、玻璃5、窗框3有限元模型中对应的节点上；
[0023] 步骤十二:加载窗框与车体粘接剂2、玻璃与窗框粘接剂4、玻璃5、窗框3的实际工 况并提交计算，即可获得粘接剂的应力与变形。
[0024] 所述步骤四的半径R-般取车体1有限元模型单元尺寸的2倍。
[0025]有益效果
[0026] 计算效率大幅提升。以某动车为例，粘接剂宽度为15mm，传统分析方法考虑到粘接 剂尺寸，车体单元尺寸一般不能大于20mm，而快速分析方法不需要考虑粘接剂尺寸，车体单 元尺寸可以选用80mm以上单元，因此传统分析方法的节点和单元数量是快速分析方法的约 16倍，而计算时间通常为快速分析方法的计算时间不到传统方法的0.5%，由此可知快速分 析方法相比传统分析方法计算效率可提高200倍以上。
[0027] 本发明方法可以直接利用现有的车体有限元模型对侧窗粘接强度进行分析，而不 需要考虑粘接剂与车体单元尺寸大小的差异，大大减少了车体及车窗粘接结构有限元建模 工作量；
[0028] 当粘接剂尺寸重新设计时，只需对车窗局部有限元模型进行修改，不需要对车体 有限元模型进行任何改动处理，大大提高了设计与分析效率；
【附图说明】
[0029] 图1车体、粘接剂、窗框、玻璃结构示意图；
[0030] 图2以任意节点0所在坐标为圆心搜索车体与粘接剂粘接面上半径为R内的所有节 点示意图；
[0031 ]图3某动车车体大尺寸有限元模型；
[0032] 图4某动车车体左侧客室侧窗小尺寸单元有限元模型；
[0033] 图5某动车车体在某一工况下的变形图；
[0034]图6车体左侧客室侧窗粘接剂应力分布图。
[0035] 其中：1_车体，2-窗框与车体粘接剂，3-窗框，4-玻璃与窗框粘接剂，5-玻璃
【具体实施方式】
[0036] 对动车客室某侧窗粘接强度进行计算，对本发明的方法进行详细说明。
[0037] 步骤一:建立车体的大尺寸单元(80mm)有限元模型，如图3，单元数量为202325，节 点数量为113361。
[0038]步骤二:建立该动车客室某侧窗（包括粘接剂、玻璃、窗框）的小尺寸(8mm)单元有 限元模型，如图4,单元数量为12563,节点数量为13216。
[0039]步骤三:在某一工况下，对车体大尺寸有限元模型进行强度分析，获得车体上所有 节点的变形，如图5。
[0040] 步骤四：以粘接剂(2)有限元模型上表面(与车体（1)粘接接触面，示意图如图1)上 的任意节点0(-6.912，2.009，1.613)所在坐标为圆心，查找车体有限元模型下表面(与粘接 剂(2)粘接接触面，示意图如图1)上一定半径R(车体有限元模型单元尺寸的2倍）的所有节 点，示意图如图2。
[0041] 步骤五：计算步骤四找到的节点与节点0之间的距离，根据距离由近到远进行排 序，并依次命名为1，2,3,4,5......，不意图如图2;
[0042]步骤六:经判断点0是落在点1，2,3组成的三角形内部，然后进行下一步。
[0043]步骤七：通过步骤六找到点0落在点1，2,3组成的三角形内部，点1的坐标为（_ 6.887,2.037,1.609)，点2的坐标为（-6.887,1.960,1.613)，点3的坐标为(-6.972,2.037, 1.608)。分别计算点023、013、012、123组成三角形的面积，记为5〇 23= 1 155.3!111112、3〇13 = 1160.1mm2、Scii2 = 956.8mm2、S123 = 3272.2mm2。
[0044] 步骤八:根据步骤三车体有限元模型在各个工况下的强度分析，已经获得车体上 所有节点位移，节点1在XYZ三个方向的平动位移为D X1 = -0.542mm、Dn = -2.182mm、Dn =-0.035mm，节点1在XYZ三个方向的转动位移为RX1 = 1.946、RY1 = 0.963、RZ1 = -0.329，同理，节 点2、3在XYZ方向的平动位移及转动位移分别为Dx2 = -0.561mm、DY2 = -2.219mm、DZ2 = -0 · 132mm、Rx2 = 0 · 372、Ry2 = 2 · 063、Rz2 = -1 · 199、Dx3 = -0 · 578mm、DY3 = -2 · 149mm、Dz3 = 0.078mm、Rx3 = 0.538、RY3=l .934、Rzc = -0.061。
[0045] 步骤九:根据节点1、2、3在XYZ方向的平动与转动位移，采用三角形面积插值的方 法，获得点〇在XYZ方向的平动与转动位移Dxo、Dyo、Dzo、Rxo、Ryo、Rzo，具体插值如下：
[0052] 步骤十:根据步骤四到步骤九获得粘接剂(2)有限元模型上表面(与车体（1)粘接 接触面上，示意图如图1)所有节点在XYZ方向的平动与转动位移，节点总数为1290。
[0053] 步骤^^一 :将粘接剂(2)有限元模型上表面(与车体⑴粘接接触面上)所有节点在 XYZ方向的平动与转动位移，加载到步骤二建立的粘接剂、玻璃、窗框有限元模型中对应的 节点上。
[0054]步骤十二:加载粘接剂、玻璃、窗框的实际工况并进行计算，即可获得粘接剂的应 力，如图6,其最大应力为0.210MPa。
[0055]在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如"上、下"与参考附图所示 方向一致。
【主权项】
1. 一种高速动车侧窗粘接强度的快速分析方法，其特征在于:窗框(3)通过窗框与车体 粘接剂(2)与车体（1)粘接在一起，玻璃(5)通过玻璃与窗框粘接剂(4)与窗框(3)粘接在一 起，具体分析方法如下： 步骤一:建立车体(1)的大尺寸单元有限元模型； 步骤二：建立窗框与车体粘接剂(2)、玻璃与窗框粘接剂(4)、玻璃(5)、窗框(3)的小尺 寸单元有限元模型； 步骤Ξ:在各个工况下，对车体（1)大尺寸有限元模型进行强度分析，获得车体上所有 节点变形的位移； 步骤四窗框与车体粘接剂(2)有限元模型上表面，即与车体（1)粘接接触面上，任意 节点0所在坐标为圆屯、，查找车体(1)有限元模型下表面，即与窗框与车体粘接剂(2)粘接接 触面上，一定半径R内的所有节点； 步骤五:计算步骤四找到的节点与点0之间的距离，根据距离由近到远进行排序，并依 次命名为1，2,3,4,5……； 步骤六:判断点0是否落在点1，2,3组成的Ξ角形内部，若点0在点1，2,3组成的Ξ角形 内部，则进行下一步;若点0不在点1，2,3组成的Ξ角形内部，则依次判断点（1，2,4)，（1，2， 5)，（1，3,4)，（1，3,5)，（1，4,5)，（2,3,4)，（2,3,5)，（2,4,5)，（3,4,5)组成的^角形，若^点 共线，则判断下一组的Ξ个点，直到点0落在一个Ξ角形内部为止，然后进行下一步； 步骤屯:通过步骤六找到点0落在某Ξ角形内部，假设组成该Ξ角形的Ξ节点为A、B、C， 分别计算点OAB、OAC、OBC、ABC组成S角形的面积，记为SoAB、SoAc、SoBc、Sabc ; 步骤八:根据步骤Ξ车体（1)有限元模型在各个工况下的强度分析，已经获得车体所有 节点在ΧΥΖ方向的平动位移及转动位移，假设节点A在ΧΥΖΞ个方向的平动位移为Dxa、Dya、 Dza，节点A在XYZS个方向的转动位移为RxA、RγA、RzA，同理，节点B、C在XYZ方向的平动位移及 转动位移分别为DxB、DyB、化B、RxB、防B、I?ZB、Dxc、Dyc、化C、Rxc、Ryc、化C ; 步骤九:根据点A、B、C在ΧΥΖ方向的平动与转动位移，采用Ξ角形面积插值的方法，获得 点0在別Ζ方向的平动与转动位移Dxo、Dyo、Dzo、Rxo、防0、化0， 具体插值如下：步骤十:根据步骤四到步骤九获得窗框与车体粘接剂(2)有限元模型上表面，即与车体 (1)粘接接触面上所有节点在XYZ方向的平动与转动位移； 步骤十一:将窗框与车体粘接剂（2)有限元模型上表面，即与车体（1)粘接接触面上所 有节点在XYZ方向的平动与转动位移，加载到步骤二建立的窗框与车体粘接剂(2)、玻璃与 窗框粘接剂(4)、玻璃(5)、窗框(3)有限元模型中对应的节点上； 步骤十二:加载窗框与车体粘接剂(2)、玻璃与窗框粘接剂(4)、玻璃(5)、窗框(3)的实 际工况并提交计算，即可获得粘接剂的应力与变形。2.根据权利要求1所述的一种高速动车侧窗粘接强度的快速分析方法，其特征在于:所 述步骤四的半径R-般取车体(1)有限元模型单元尺寸的2倍。
【文档编号】G06F17/50GK106096078SQ201610363318
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月29日
【发明人】那景新, 秦国锋, 袁正, 范以撒, 谭伟, 慕文龙, 贺午阳, 刘浩垒, 刘伟涛, 杨丹瑒
【申请人】吉林大学