轨道车辆弯曲门板固化压力分析研究

王孜凌 谭文才

摘 要：目前我国高速铁路和城市轨道交通发展很快，为提高门系统生产效率，对轨道车辆门系统的关键部件弯曲门板固化采用了叠加固化新工艺。该文利用ANSYS/LS-DYNA软件，以一个地铁项目乘客室门板为例，分析了影响固化质量的主要影响因素——固化压力，得到了减少门板叠加固化时门之间的间隙并接近0的所需外加压力，并选择了两条地铁线进行检验，证明了分析方法的可行性。

关键词：弯曲门板 工艺 叠加放置 温度控制 固化压力

中图分类号：TB114.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）04（b）-0069-02

该文利用以有限元分析法中的显式非线性接触分析方法为核心内容的ANSYS/LS-DYNA软件[3]，以某地铁项目乘客室门板为例，建立叠加固化的门板模型，进行叠加固化压力模拟，得到最下面的门板之间间隙为0 mm时所需的最小外加压力，并保证门板粘接固化后的轮廓度小于2.5 mm；并对天津、武汉两条地铁線乘客室门板进行试验及检测，来证明分析方法的可行性，从而为实际生产提供技术依据。

1 叠加固化压力分析方法概述

某地铁项目乘客室门板参数：长2 046 mm，宽805.5 mm，门板厚度32 mm，外圆弧半径1 000 mm，圆弧对应角度11.12°（误差±0.07°）。一批次叠加固化的门板数量为6扇。

通过分析计算得到门板叠加后的间隙为0.15 mm；根据公司门板通用技术条件，门板轮廓度有±0.5 mm的允许误差，因此最大间隙将达到1.15 mm。考虑上述极端的工况，即以每块门板均有±0.5 mm的极限轮廓度误差来建立有限元模型进行分析，依次叠加6套门板。

弯门叠加固化要满足的要求，实际上就是通过加压使门板变形后消除间隙，从而实现贴合表面压力的传递。使间隙消除的最小压力P0即为弯门固化需施加的外压力，再考虑门板的角度，施加的压力P应等于P0/cos（11.12°/2）。

为了精确模拟间隙的消除，需要非线性接触分析，考虑到模型大接触面存在难以收敛等问题，用实体块代替门板，保留门板主要零部件。通过分段调整实体块的弹性模量，使其在同等约束及加载条件下，与真实门板变形一致，即拟合原始门板的刚度；再采用实体块进行固化压力的分析，减小模型计算量。由于ANSYS隐式非线性分析也存在难以收敛的问题，采用显式非线性接触分析方法，即利用ANSYS/LS-DYNA软件分析计算叠加固化压力。

2 叠加固化压力模型计算

2.1 建立门板模型

保留门板主要零部件，即门框型材及铝蜂窝。代替的实体块分为4段，采用不同的弹性模量，拟合原始门板的刚度，以相对应位置的10个节点的变形量作为评价指标。

对于原始门板，主要是铝型材和铝蜂窝。对以铝型材作的门框，弹性模量为0.7e11Pa；对以蒙皮和蜂窝夹层构成的铝蜂窝，弹性模量为7.55e9Pa。对于简化实体块，采用凑数的方式，分别微调4段实体的弹性模量。

采用四点铰支约束，原始门板以及简化实体块的约束位置需相同。并且在同一位置处施加同等大小的压力。

利用ANSYS/LS-DYNA软件进行试算，取弹性模量为1.235×1010 Pa时，对原始门板、简化门板各10个节点的相对应变形量较为一致，差值基本都在0.01 mm以下，因此，可以用简化后的门板模型进行固化压力模拟分析计算。

2.2 计算叠加固化压力

相对于门板，上下压模可视为刚体，即认为不产生变形。根据叠加的门板数为6扇，以最下方的外侧轮廓度，由下往上依次偏置1个门板厚度，得到一个弧度最小的轮廓，以此轮廓设计上压膜。此时，才能一层层使门板贴合。

由于门板有±0.5 mm的极限轮廓度误差，采用间隔放置，即﹢0.5 mm、﹣0.5 mm、﹢0.5 mm……门板依次放置，形成间隙。包括上下压模形成的空隙，有3组空隙在中间，4组空隙在两端。其中，中部的空隙最大，达到1.15 mm。

要使间隙消除，实际上就是通过压力使该处间隙上方的门板整体产生变形，因而位置越下的间隙，其上方的门板越多，抗弯刚度越大，消除间隙越困难。所以，只要最下方的间隙消除，其他间隙就能够消除。

利用ANSYS/LS-DYNA软件分析，必须根据实际材料的属性设置，包括密度、弹性模量等，否则将得到不真实的接触力。门板压模为铝，弹性模型为0.7e11Pa。分析计算时，通过逐渐增加外压力（载荷），发现当表面施加压力为150 kPa时，最下方门板中间的间隙刚好消除。

由上述得到，最下方门板之间的间隙最大，达到1.15 mm，要使固化压力满足要求，即需要克服门板的刚度，使门板变形从而消除间隙。利用ANSYS/LS-DYNA软件分析，载荷△P加大至150 kPa，间隙刚好消除，此时圆弧段表面刚接触，表面间相互作用力为0；而门板直线段由于与压力方向成5.56°的夹角，故外加压力为P=△P/cos（5.56）=151 kPa。

3 弯曲门板叠加固化试验验证

根据上述的有限元分析，如果采用6扇门板叠加固化的方法进行门板粘接固化生产，需要计算设备对门板施加的压力参数。为了验证理论计算的正确性，我们选择了天津地铁1号线加车和武汉地铁1号线二期两种乘客室门板分别进行了试验，经过计算，门板之间的间隙均小于0.17 mm，可以采用6扇门板叠加固化的方式；在固化6扇弯曲门板时施加的压力为151 kPa。

我们对经过叠加固化的6个批次的36扇门板进行了检测，其门板轮廓度情况见表1。

从表1可以看出，采用叠加固化工艺生产的门板，门板轮廓度为1.169～2.377 mm，完全达到公司对门板的技术要求。

4 结语

固化压力是弯曲门板叠加固化影响固化质量的重要因素，其数值直接与实际生产有关。该文通过建立门板模型，利用以有限元分析显式非线性接触分析方法为核心的ANSYS/LS-DYNA软件，确定弯曲门板在固化时应施加的压力值；选择了两种弯曲门板进行了包括施加固化压力的叠加固化试验，对固化后的门板轮廓度进行了检测，检测结果表明各项技术指标均达到了产品所需的要求，说明该文采用的固化压力分析方法可行、可靠。

参考文献

[1] 熊腊森.粘接手册[M].机械工业出版社，2008：7-338.

[2] 马长福.简明粘接技术手册[M].上海科学技术文献出版社，2012.

[3] 李裕春.ANSYS10.0/LS-DYNA基础理论与工程实践[M].中国水利水电出版社，2006.