本发明涉及轨道交通车辆的粘接
技术领域：
，特别是一种轨道交通车辆车窗粘接部位设计验证方法。
背景技术：
：目前，轨道交通车辆车窗粘接部位的设计尺寸通常依靠经验值、有限元分析及相关试验进行确定。在这些设计方法中经验值与设计人员工作经验息息相关，所以难以保证设计的准确性；而有限元分析方法基本是针对整车进行分析，且受软件模块的限制，很难单独对粘接部位的受力情况进行重点分析；而产品试验方面则周期较长，需制作大量样件，工作量也比较大。另外，其他设计人员、工艺人员或质量人员在对设计尺寸进行评审时基本也只是按原设计思路去判断过程的合理性，同时因受工作性质的限制，很难有效的从另一个角度去完成评审。技术实现要素：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种利用解析计算的方法，通过对比安全系数去验证车窗粘接部位尺寸的正确性，简单有效。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种轨道交通车辆车窗粘接部位设计验证方法，其包括：(1)：将轨道交通车辆车窗简化为近似的矩形或三角形；(2)：静态载荷计算。仅考虑重力的前提下，分析粘接部位在全局坐标中x、y、z方向上的受力情况，即计算fx、fy、fz的大小。同时依据坐标转化公式：计算局部坐标下x’、y’、z’方向上fx’、fy’、fz’的大小。根据粘接部位设计尺寸计算粘接面积a，同时依据拉伸强度计算公式σ＝f/a，剪切强度计算公式τ＝f/a分别计算局部坐标下粘接部位在各主方向上的拉剪强度。再根据等效应公式计算等效应力σm；(3)：动态载荷计算。根据各个工况下三个方向上的最大加速度，分别计算出全局坐标下fx、fy、fz的大小。同时依据坐标转化公式计算局部坐标下x’、y’、z’方向上fx’1、fy’1、fz’1的大小。动载荷工况条件还需考虑叠加作用在窗玻璃上方向x’或y’或z’方向的最大风压产生的力fx’2或fy’2或fz’2)，其中fx’2＝p×s，p为作用在车窗上最大风压，s为车窗面积。与此同时，计算作用在x’方向上的合力fx’＝fx’1+fx’2或y’方向上的合力fy’＝fy’1+fy’2或z’方向上的合力fz’＝fz’1+fz’2。根据粘接部位设计尺寸计算粘接面积a，同时依据拉伸强度计算公式σ＝f/a，剪切强度计算公式τ＝f/a分别计算局部坐标下粘接部位在各主方向上的拉剪强度。再根等效应力公式，计算等效应力σm。(4)：温差导致的热载荷计算。根据升温段的最大温差δt1计算粘接胶层的最大应变tanγt1＝δlt1/t＝δα×δt1×l/2/t，其中δl为车窗长度方向(或宽度方向)的变化值，δα为铝合金与玻璃基材间的热膨胀系数差异值。同理，根据降温段的最大温差δt2可计算出车窗各边长方向上的最大应变tanγt2＝δlt2/t。根据τ＝g×tanγ，分别计算升温段及降温段温差引起的玻璃边缘处最大应力τt1、τt2，并将其与同向的动态载荷进行叠加，得到车窗在该方向上经动态载荷及热载荷叠加后最大应力值。同时，根据ε＝σ/e，tanγ＝τ/g，得到对应工况下的最大叠加应变值。通过等效应力公式，可计算最大等效应力σm，而通过等效应变公式，计算出最大等效应变εm。(5)：疲劳载荷计算。根据疲劳载荷工况条件下车窗在各个方向上的最大加速度，分别计算出粘接部位在全局坐标中x、y、z方向上的受力值fx、fy、fz的大小。同时依据坐标转化公式计算局部坐标下x‘、y’、z‘方向上fx’、fy’、fz’的大小。根据粘接部位设计尺寸计算粘接面积a，同时依据拉伸强度计算公式σ＝f/a，剪切强度计算公式τ＝f/a分别计算局部坐标下粘接部位在各主方向上的拉剪强度。再根据等效应力公式，计算等效应力σm。(6)：各载荷工况条件下安全系数的计算。重力载荷工况条件下，通过计算胶粘剂的蠕变强度与车窗在该条件下的最大应力的比值，可获得该条件下的安全系数。温差导致的热载荷与动态载荷叠加工况条件下，通过计算胶粘剂的湿热老化后剪切强度特征值与车窗在该条件下的最大等效应力的比值，可获得该条件下的安全系数。通过计算胶粘剂的湿热老化后剪切断裂伸长率特征值与车窗在该条件下的最大等效应力应变的比值，可获得该条件下的安全系数。疲劳载荷工况条件下，通过计算胶粘剂的疲劳强度与车窗在该条件下的最大等效应力的比值，可获得该条件下的安全系数。(7)：分析结果评估。通过前期的计算结果和分析，评估车窗的所受到各类载荷是否均小于胶粘剂的承载极限，安全系数是否远大于2，远大于2即是有充足的安全裕度，从而判定该车窗粘接部位设计尺寸是安全可靠，能满足车辆正常运营需求的。本发明的有益效果是：本发明利用解析计算的方法，通过对比安全系数去验证车窗粘接部位尺寸的正确性，对设计文件的合理性从另一个角度提供了一种有效的验证方法，简单有效。具体实施方式选用某型号地铁项目前挡风玻璃及司机室侧窗粘接部位为例，对设计尺寸进行了验证和确认，具体方法如下：(1)：将轨道交通车辆车窗简化为近似的矩形或三角形；为了进行解析计算，对车头前挡风玻璃及司机室侧窗玻璃的粘接部位模型进行简化，各个车窗简化为近似的矩形或三角形，各个车窗简化成单个玻璃粘接到铝合金车体上的矩形结构或三角形结构。因车头司机室侧窗玻璃的粘接部位左右结构对称，且所有载荷具有对称性，因此仅对沿车前进方向的左侧车窗进行计算，结果可以代表所有司机室侧窗。对上述两种车窗玻璃粘接简化模型的尺寸和位置角度信息进行汇总，其中一种玻璃上有两条胶线的，用“/”符号隔开表示，如表1所示。表1车窗玻璃粘接简化模型信息各部件所对应材料以及材料基本参数如表2，表3和表4所示。密封胶不在本计算中考虑，仅考虑结构胶粘接，属于偏保守的估计计算方法。表2部件及相应材料名称材料车头结构铝合金车体结构铝合金粘接接头胶条sika268表3结构胶材料参数表4基本材料参数符号说明：动态载荷：动态载荷加速度工况来源：x，y，z三个方向的最大动态加速度参考dinen12663-1标准；气动压力的数据为相关型式试验要求的参数，并约定正值为车窗向车体外拉的方向，负值为车窗向车体内拉的方向。温差导致的热载荷：温差导致的两侧基材的热膨胀系数不匹配的变形：车辆生产阶段和运营阶段的温度范围：车辆运行环境温度：-5℃～40℃车辆生产阶段温度范围约为10℃～35℃。即计算10℃～40℃升温，35℃～-5℃降温这两种温度变化的应力应变。考虑两个不同材料的结构间的热膨胀系数不匹配导致胶层的变形，并将最大温度升高和温度降低热变形叠加到动态载荷工况。疲劳载荷：工况x方向y方向z方向flc1+0.15g+0.15g-0.85gflc2+0.15g-0.15g-0.85gflc3-0.15g+0.15g-0.85gflc4-0.15g-0.15g-0.85gflc5+0.15g+0.15g-1.15gflc6+0.15g-0.15g-1.15gflc7-0.15g+0.15g-1.15gflc8-0.15g-0.15g-1.15g疲劳载荷加速度工况来源：x，y，z三个方向的最大疲劳加速度参考dinen12663-1标准(2)：静态载荷计算。前挡风玻璃：前挡风玻璃仅承受重力，在全局坐标系下，所受力为：fax＝0；fay＝0；faz＝－m×g＝-95.8×9.8＝－938.84n.在局部坐标系下，根据公式1，转换后所受力为：fax’＝sinθa2×faz＝sin(12°)×(－938.84)＝-195.20n；fay’＝fay＝0n；faz’＝cosθa2×faz＝cos(12°)×(－938.84)＝－918.32n.三个方向的力除以粘接胶层的粘接面积，得到各个方向上胶层的应力：粘接胶层的粘接面积：aa＝2082×58+2082×70+1500×59×2＝443496mm2σax’＝fax’/aa＝-195.20/443496＝－0.0004mpa；τay’＝fay’/aa＝0；τaz’＝faz’/aa＝－918.32/443496＝－0.002mpa.根据等效应力公式，计算等效应力σm：因此，静态蠕变载荷引起的最大等效应力σm为0.004mpa。司机室侧窗：司机室侧窗玻璃仅承受重力，在全局坐标系下，所受力为：fbx＝0；fby＝0；fbz＝－m×g＝-4.5×9.8＝-44.1n.在局部坐标系下，根据公式1，转换后所受力为：fbx’＝cosθ3×fbx+sinθ3×fby＝0n；fby’＝－sinθ3cosθ1×fbx+cosθ3sinθ1×fby+sinθ1fbz＝sin(5°)fbz＝－3.84n；fbz’＝sinθ3sinθ1×fbx－sinθ1cosθ3×fby+cosθ1fbz＝cos(5°)fbz＝－43.9n.三个方向的力除以粘接胶层的粘接面积，得到各个方向上胶层的应力：粘接胶层的粘接面积：aa＝(461+930+971)×40＝94480mm2τbx’＝fbx’/ab＝0；σby’＝fby’/ab＝-3.84/94480＝-0.00004；τbz’＝fbz’/ab＝-43.9/94480＝－0.00046mpa.根据等效应力公式，计算等效应力σm：因此，静态蠕变载荷引起的最大等效应力σm为0.004mpa。(3)动态载荷计算。前挡风玻璃(以dlc1为例)：:前挡风玻璃在dlc1工况下，在全局坐标系下，三个方向上最大加速度产生的力为：fax＝3×m×g＝3×95.8×9.8＝2816.52n；fay＝m×g＝95.8×9.8＝938.84n；faz＝3×m×g＝3×95.8×9.8＝2816.52n.在局部坐标系下，根据公式1，转换后所受力为：fax’1＝cosθa2×fax+sinθa2×faz＝cos(12°)×2816.52+sin(12°)×938.84＝3340.56n；fay’＝fay＝938.84n；faz’＝－sinθa2×fax+cosθa2×faz＝－sin(12°)×2816.52+cos(12°)×2816.52＝2169.38n.在局部坐标系下，叠加作用在窗玻璃上方向为xa’的最大风压产生的力fax’2，得到方向为xa’的最大合力fax’:fax’2＝p×s＝2500×(2082×1500×10-6)＝7807.5n；fax’＝fax’1+fax’2＝3340.56+7807.5＝11148.06n.三个方向的力除以粘接胶层的粘接面积(如有两条胶线，则计算其粘接面积之和)，得到各个方向上胶层的应力：σax’＝fax’/aa＝11148.06/443496＝0.025mpa；τay’＝fay’/aa＝938.84/443496＝0.0021mpa；τaz’＝faz’/aa＝2169.38/443496＝0.0049mpa.其余动态载荷计算与此类似，计算得到的结果汇总如下：司机室侧窗玻璃(以dlc1为例)：司机室侧窗玻璃在dlc1工况下，在全局坐标系下，三个方向上最大加速度产生的力为：fbx＝3×m×g＝3×4.5×9.8＝132.3n；fby＝m×g＝44.1n；fbz＝3×m×g＝3×4.5×9.8＝132.3n.在局部坐标系下，根据公式1，转换后所受力为：fbx’＝cosθ3×fbx+sinθ3×fby＝cos(－6°)×132.3+sin(－6°)×44.1＝126.97n；fby’1＝－sinθ3cosθ1×fbx+cosθ3sinθ1×fby+sinθ1fbz＝－sin(－6°)×cos(5°)×132.3+cos(－6°)×sin(5°)×44.1+sin(5°)×132.3＝29.13n；fbz’＝sinθ3sinθ1×fbx－sinθ1cosθ3×fby+cosθ1fbz＝sin(－6°)×sin(5°)×132.3+－sin(5°)×cos(－6°)×44.1+cos(5°)×132.3＝126.77n.在局部坐标系下，叠加作用在窗玻璃上方向为yb’的最大风压产生的力fby’2，得到方向为yb’的最大合力fby’:fby’2＝p×s＝2500×(461×930×0.5×10-6)＝535.91n；fby’＝fby’1+fby’2＝29.13+535.91＝565.04n.三个方向的力除以粘接胶层的粘接面积(如有两条胶线，则计算其粘接面积之和)，得到各个方向上胶层的应力：τbx’＝fbx’/ab＝126.97/94480＝0.0013mpa；σby’＝fby’/ab＝535.91/94480＝0.0060mpa；τbz’＝fbz’/ab＝126.77/94480＝0.0013mpa.其余动态载荷计算与此类似，计算得到的结果汇总如下：(4)温差导致的热载荷计算。前挡风玻璃:10℃～40℃升温，35℃～-5℃降温这两种温度变化引起的温度变化量分别为：δt1＝30℃；δt2＝－40℃。铝合金与玻璃基材间的热膨胀系数差异为：δα＝1.4×10-51/℃10℃～40℃升温，引起的y’方向玻璃边缘处最大应变为(如有两条胶线，胶层厚度t取胶线中最薄的厚度，因为较薄的胶层更危险)：tanγay’t1＝δlay’t/t＝δα×δt1×lay/2/t＝1.4×10-5×30×2082/2/8＝0.055引起的z’方向玻璃边缘处最大应变为:tanγay’t1＝δlaz’t/t＝δα×δt1×laz/2/t＝1.4×10-5×30×1500/2/8＝0.039同理，35℃～-5℃降温这种温度变化条件下，引起的沿y’方向玻璃2082mm的长边，沿z’方向玻璃1500mm的宽边的玻璃边缘处最大应变：35℃～-5℃降温：tanγay’t2＝－0.073；tanγaz’t2＝－0.053.根据根据τ＝g×γ，得到温差引起的玻璃边缘处最大应力：10℃～40℃升温：τay’t1＝0.070mpa；τaz’t1＝0.051mpa；35℃～-5℃降温：τay’t2＝－0.094mpa；τaz’t2＝－0.067mpa.因为玻璃是封闭的矩形环状结构，所以在y’，z’方向上，与动态载荷叠加最大的值为动态载荷引起的应力应变与温差引起的应力应变同向叠加。因此，最大温差工况tlc引起的最大的应力，即在35℃～-5℃降温条件下的应力与上述计算的各个动态载荷工况下的应力同向叠加，得到各个工况下的最大叠加应力值：根据ε＝σ/e，γ＝τ/g，得到各个工况下的最大叠加应变值：根据等效应力公式，计算等效应力σm：根据等效应力等效应变公式，计算等效应变εm：因此，前挡风玻璃粘接，由动态载荷和温差载荷叠加，引起的准静态载荷条件下的最大等效应力σm为0.212mpa；最大等效应力等效应变εm为0.056，在dlc13+tlc及dlc15+tlc工况下产生。司机室侧窗玻璃:10℃～40℃升温，35℃～-5℃降温这两种温度变化引起的温度变化量分别为：δt1＝30℃；δt2＝－40℃。铝合金与玻璃基材间的热膨胀系数差异为：δα＝1.4×10-51/℃10℃～40℃升温，引起的x’方向玻璃边缘处最大应变为(如有两条胶线，胶层厚度t取胶线中最薄的厚度，因为较薄的胶层更危险)：tanγbx’t1＝δlbx’t/t＝δα×δt1×lbx/2/t＝1.4×10-5×30×461/2/5＝0.019引起的z’方向玻璃边缘处最大应变为:tanγbz’t1＝δlbz’t/t＝δα×δt1×lbz/2/t＝1.4×10-5×30×930/2/5＝0.039同理，35℃～-5℃降温这种温度变化条件下，引起的沿x’方向玻璃461mm的底边，沿z’方向玻璃930mm的长边的玻璃边缘处最大应变：35℃～－5℃降温：tanγbx’t2＝－0.026；tanγbz’t2＝－0.052.根据根据τ＝g×γ，得到温差引起的玻璃边缘处最大应力：10℃～40℃升温：τbx’t1＝0.025mpa；τbz’t1＝0.050mpa；35℃～-5℃降温：τbx’t2＝－0.033mpa；τbz’t2＝－0.067mpa.因为玻璃是封闭的三角形环状结构，所以在x’，z’方向上，与动态载荷叠加最大的值为动态载荷引起的应力应变与温差引起的应力应变同向叠加。因此，最大温差工况tlc引起的最大的应力，即在35℃～-5℃降温条件下的应力与上述计算的各个动态载荷工况下的应力同向叠加，得到各个工况下的最大叠加应力值：根据ε＝σ/e，γ＝τ/g，得到各个工况下的最大叠加应变值：根据等效应力公式，计算等效应力σm：根据等效应力等效应变公式，计算等效应变εm：因此，司机室侧窗玻璃粘接，由动态载荷和温差载荷叠加，引起的准静态载荷条件下的最大等效应力σm为0.094mpa；最大等效应力等效应变εm为0.035，在dlc1+tlcd，dlc3+tlc，dlc5+tlc，dlc7+tlc，dlc9+tlc，dlc11+tlc，dlc13+tlc，dlc15+tlc工况下产生。(5)疲劳载荷计算。前挡风玻璃:与动态载荷工况的计算类似，计算得到的结果汇总如下：根据等效应力公式，计算等效应力σm：因此，疲劳载荷引起的最大等效应力σm为0.0043mpa，在flc5和flc6工况下产生。司机室侧窗:与动态载荷工况的计算类似，计算得到的结果汇总如下：根据等效应力公式，计算等效应力σm：因此，疲劳载荷引起的最大等效应力σm为0.0009mpa，在flc5、flc6、flc7、flc8工况下产生。(6)，各载荷工况条件下安全系数的计算。前挡风玻璃载荷分析结果评审重力静态载荷工况温差导致的热载荷与动态载荷工况叠加疲劳载荷工况司机室侧窗载荷分析结果评估重力静态载荷工况温差导致的热载荷与动态载荷工况叠加疲劳载荷工况(7)，分析结果评估。前挡风玻璃粘接接头分析结果评估在重力静态载荷工况下，前挡风玻璃粘接的最大等效应力0.004mpa低于其承载极限(蠕变强度)0.27mpa，安全系数67.5。在最大温差工况tlc引起的载荷，即在35℃～-5℃降温条件下的最大载荷与动态载荷叠加的最大载荷工况dlc13+tlc及dlc15+tlc条件下，前挡风粘接的最大等效应力0.212mpa低于其承载极限(湿热老化后剪切强度特征值4.5mpa)，最小安全系数21.23；最大等效应力应变0.056低于其承载极限(湿热老化后剪切断裂伸长率特征值)3.13，最小安全系数55.89。在最大疲劳载荷flc5与flc6工况下，前挡风玻璃粘接的最大等效应力0.0043mpa低于其承载极限(疲劳强度)0.42mpa，最小安全系数97.67。司机室侧窗粘接接头分析结果评估在重力静态载荷工况下，司机室侧窗玻璃粘接的最大等效应力0.0008mpa低于其承载极限(蠕变强度)0.27mpa，安全系数337.5。在最大温差工况tlc引起的载荷，即在35℃～-5℃降温条件下的最大载荷与动态载荷叠加的最大载荷工况dlc1+tlcd，dlc3+tlc，dlc5+tlc，dlc7+tlc，dlc9+tlc，dlc11+tlc，dlc13+tlc，dlc15+tlc条件下，司机室侧窗粘接的最大等效应力0.094mpa低于其承载极限(湿热老化后拉伸强度特征值4.5mpa)，最小安全系数447.87；最大等效应力应变0.035低于其承载极限(湿热老化后拉伸断裂伸长率特征值)3.13，最小安全系数89.43。在最大疲劳载荷flc5、flc6、flc7、flc8工况下，司机室侧窗玻璃粘接的最大等效应力0.0009mpa低于其承载极限(疲劳强度)0.42mpa，最小安全系数466.67。通过各个工况下的最大应力应变计算值与相应的胶粘剂承载极限进行了对比，结果表明该地铁车辆的前挡风玻璃，司机室侧窗玻璃粘接接头在所有设计考虑的工况条件下，各类载荷均小于承载极限，有较为充足的安全裕度，说明上述车窗粘接接头的设计尺寸是安全可靠的。本发明利用解析计算的方法，通过对比安全系数去验证车窗粘接部位尺寸的正确性，对设计文件的合理性从另一个角度提供了一种有效的验证方法，简单有效。当前第1页12