CN106092619B - 一种高速动车组的粘接结构寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速动车组的粘接结构寿命预测方法，首先获取高速动车组驶里程L；根据高速动车组驶里程L与试验粘接试件交变气候测试条件下动态载荷谱循环次数Q之间的关系，计算得到试验粘接试件交变气候测试条件下动态载荷谱循环次数Q；对试验粘接试件进行交变气候测试条件下动态载荷谱循环试验，循环次数为Q，然后进行拉伸试验，得到试验粘接试件的剩余强度T，所述试验粘接试件的剩余强度T即为高速动车组粘接结构的剩余强度。本发明能够对高速动车组上的待预测粘接结构进行寿命预测，预测并评估待预测粘接结构的老化失效行为，为高速动车组粘接结构的强度设计提供试验与理论上的支撑。

Description

一种高速动车组的粘接结构寿命预测方法

技术领域

本发明涉及高速动车组粘接结构试验测试与技术领域，特别涉及一种高速动车组的粘接结构寿命预测方法。

背景技术

现代社会中，动车高速发展，车用粘接剂在动车上应用广泛。弹性粘接具有密封性好、耐腐蚀、安装简单且零件少等优点。可弥补装配及施工误差，粘接接头具有弹性，避免了应力集中引起的粘接结构开裂。整个粘接面都参与强度形成，具有很高的剥离强度。可起到隔音降噪作用，增加乘坐的舒适性和安全性。

高速动车组运行环境比较复杂，运行路线中所经过地区的温度和湿度变化大，车身的粘接结构容易受到湿度和温度的影响。高速动车组的运行工况比较复杂，在高速行驶时由于不同运行工况的车窗内外气压差导致粘接结构受动态交变载荷的作用，粘接结构在高速动车组运行的整个过程中受湿热循环与动态载荷耦合加载的影响。高速动车组行驶过程中，其粘接结构在匀速前进和穿越隧道工况中受内外气压差的作用比较明显。因为在高速动车组运行过程中粘接结构胶层会出现老化现象，目前还没有一种行之有效的粘接胶层老化评价方法。高速动车组运行一段里程后，无法对粘接结构出现的粘接强度设计问题进行预估，无从得知粘接结构胶层的强度还能不能满足使用要求。缺少一种试验方法预测并评估粘接结构的老化失效行为，判断粘接结构是否安全，从而无法通过调整粘接结构形式、粘接面积、涂胶量等途径来使粘接结构达到安全可靠地状态。在高速动车组维修时，不清楚粘接结构胶层的强度还能不能满足使用要求就对其更换，造成大量浪费。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中高速动车组粘接结构出现的强度设计问题，确立行驶里程和强化试验循环次数之间的近似关系，建立一种粘接结构粘接性能寿命预测方法，能够预测并评估粘接结构的老化失效。

本发明提供的技术方案为：

一种高速动车组的粘接结构寿命预测方法，包括如下步骤：

步骤一、获取动车组行驶全程停靠站数A、穿越隧道数B，以及待预测粘接结构胶层的最大工作应力σ_a和穿越隧道时待预测粘接结构胶层的最大工作应力σ_b；

步骤二、制作多组试验粘接试件，并对试验粘接试件进行温度循环湿度循环耦合试验，加载使试验粘接试件的胶层连续受到应力σ_a和应力σ_b作用的交变载荷，并且所述两个应力作用时间的比为A/B；其中，每组试验粘接试件进行不同的试验循环次数；

步骤三、对上述试验粘接试件分别进行拉伸试验，测量每组试验粘接试件的剩余强度，并根据每组试验粘接试件的循环次数，拟合出试验次数与试验粘接试件剩余强度之间的函数；

步骤四、选取高速动车组运行不同公里时待预测粘接结构上的粘接胶条，根据拉伸试验测试胶条的剩余强度，拟合曲线建立胶条剩余强度与高速动车组运行公里数之间的关系；

步骤五、令胶条的剩余强度等于粘接试件的剩余强度，得出高速动车组运行公里数和试验次数的函数关系。

步骤六、获取高速动车组驶里程，根据高速动车组驶里程与试验粘接试件交变气候测试条件下动态载荷谱循环次数之间的关系，计算得到试验粘接试件交变气候测试条件下动态载荷谱循环次数Q；

步骤七、对试验粘接试件进行交变气候测试条件下动态载荷谱循环试验，循环次数为Q，然后进行拉伸试验，得到试验粘接试件的剩余强度T，所述试验粘接试件的剩余强度T即为高速动车组粘接结构的剩余强度。

优选的是，步骤一中，待预测粘接结构胶层的最大工作应力σ_a和穿越隧道时待预测粘接结构胶层的最大工作应力σ_b通过理论分析获得。

优选的是，步骤二中，通过对试验粘接试件分别施加拉力P1＝σ_a×S、P2＝σ_b×S以使试验粘接试件胶层受到应力σ_a和应力σ_b作用，其中S为试验粘接试件胶层的面积。

优选的是，步骤三中，拟合试验次数与剩余强度之间的函数时采用一阶多项式拟合。

优选的是，步骤四中，拟合剩余强度与高速动车组运行公里数之间的函数时，采用一阶多项式拟合。

本发明的有益效果体现在一下几个方面：

1、本发明一种高速动车组的粘接结构寿命预测方法，能够对高速动车组上的待预测粘接结构进行寿命预测，预测并评估待预测粘接结构的老化失效行为，为高速动车组粘接结构的强度设计提供试验与理论上的支撑。

2、本发明一种高速动车组的粘接结构寿命预测方法，能够根据高速动车组典型路线对待预测粘接结构建立动态载荷谱。

3、本发明一种高速动车组的粘接结构寿命预测方法，能够对粘接试件建立温度循环-湿度循环-动态载荷循环耦合动态试验，通过加速老化试验来模拟待预测粘接结构胶层在实际工作环境中的老化行为。

4、本发明一种高速动车组的粘接结构寿命预测方法，通过高速动车组不同运行里程的待预测粘接结构胶条的剩余强度和粘接试件耦合动态试验后的剩余强度，建立行驶里程和动态载荷谱循环次数之间的关系曲线。

5、本发明一种高速动车组的粘接结构寿命预测方法，在高速动车组运行路线和待预测粘接结构所承受工况条件确定的情况下，可以根据动态载荷谱循环次数对应高速动车组行驶的公里数，判断待预测粘接结构是否安全，并且通过调整粘接结构形式、粘接面积、涂胶量等途径，使粘接结构达到安全可靠的状态。

附图说明

图1是高速动车组待预测粘接结构的载荷函数波形图。

图2是高速动车组待预测粘接结构的动态载荷谱示意图。

图3是矩形金属粘接试件的示意图。

图4是矩形金属粘接试件的动态载荷谱示意图。

图5是PV1200交变气候测试条件示意图。

图6是高速动车组侧窗粘接结构示意图。

图7是图6A-A向剖视图。

图8是高速动车组侧窗结构的载荷函数波形图。

图9是高速动车组侧窗结构的动态载荷谱示意图。

图10是侧窗粘接结构模型载荷施加示意图。

图11是粘接试件的动态载荷谱示意图。

图12是剩余强度T与动态载荷谱循环次数Q的函数关系示意图。

图13是剩余强度T与高速动车组运行公里数L的函数关系示意图。

图14是高速动车组的粘接结构寿命预测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明提供了一种高速动车组的粘接结构寿命预测方法，需要建立高速动车组驶里程L与试验粘接试件交变气候测试条件下动态载荷谱循环次数Q之间的关系L＝Φ(Q)，具体流程如下：

首先，根据高速动车组的具体结构模型建立车身结构的整体仿真模型和待预测粘接结构的局部仿真模型。统计高速动车组典型线路的运行环境及停靠站数量、穿越隧道数量，得到高速动车组典型线路的停靠站数量A与穿越隧道数量B。依照高速动车组运行过程中待预测粘接结构的主要受力状况，高速动车组在匀速前进及穿越隧道两种工况下待预测粘接结构受负压的作用，负压峰值分别为4000pa和6000pa，得出两种工况下待预测粘接结构的工作载荷峰值Pa＝4000pa和Pb＝6000pa。根据停靠站数量A、穿越隧道数量B和匀速前进工况工作载荷峰值Pa、穿越隧道工况工作载荷峰值Pb绘制待预测粘接结构的载荷函数波形图，如图1所示。以A/B的最小公约数对载荷函数波形图编谱简化，由两种运行工况所占的比重绘制待预测粘接结构的动态载荷谱，如图2所示。

通过有限元对待预测粘接结构在工作载荷峰值Pa、Pb条件下分析，对两种工况下的待预测粘接结构胶层单元进行计算，得到匀速前进和穿越隧道两种工况下待预测粘接结构胶层的最大工作应力为σ_a、σ_b。

然后制作矩形金属试验粘接试件，试验粘接试件是由金属试件和粘接剂粘接而成的，如图3所示，试验粘接试件胶层的粘接面积为S。根据匀速前进和穿越隧道两种工况下粘接结构胶层的最大工作应力σ_a、σ_b，由公式计算得出粘接试件两端施加的试验载荷幅值P₁＝σ_a×S、P₂＝σ_b×S。依据待预测粘接结构的动态载荷谱与试验载荷幅值P₁、P₂绘制试验粘接试件的动态载荷谱，如图4所示。

依据交变气候测试条件，如图5所示，对粘接试件进行温度循环-湿度循环耦合试验，同时根据试验动态载荷谱对试验粘接试件施加交变载荷，建立粘接试件温度循环-湿度循环-动态载荷循环耦合动态试验，依据试验粘接试件的动态载荷谱循环的最大循环次数，确定0到最大循环次数间的试验组数N及每组试验循环次数Q₁、Q₂、…、Q_N；

根据动态载荷谱的试验循环组数N，确定需要粘接N组试件，定义每组粘接试件为R₁、R₂、…、R_N，每组包含M个粘接试件。通过辅助试验装置对粘接试件进行粘接。

按照交变气候测试条件与动态载荷谱循环次数Q对N组粘接试件进行温度循环-湿度循环-动态载荷循环耦合动态试验，试验完成后使用拉伸试验机对粘接试件进行拉伸试验，测得每个粘接试件在耦合动态试验后的剩余强度。试验结束后，排除个别无效的实验数据并取每组试验数据的平均值作为该动态载荷谱循环次数下的粘接试件剩余强度T，T₁即是在交变气候测试条件下动态载荷谱循环次数Q₁时R₁组粘接试件胶层的剩余强度，T_N表示交变气候测试条件下动态载荷谱循环次数Q_N时R_N组粘接试件胶层的剩余强度。

交变气候测试条件参考PV 1200标准。

在交变气候测试条件下，对温度、湿度与不同动态载荷循环次数耦合条件下的金属粘接试件失效模式、剩余强度T结果进行统计分析；绘制交变气候测试条件温度与湿度耦合环境下，剩余强度T与不同动态载荷谱循环次数Q之间的关系曲线，并进行规律性的总结。以动态载荷循环次数Q为自变量，剩余强度T为因变量，拟合曲线得到T＝Φ₁(Q)的函数关系。

提取高速动车组不同运行里程的待预测粘接结构胶条，选取高速动车组运行L₁、L₂、L₃、…、L_n公里时待预测粘接结构上的粘接胶条，n为提取的运行里程数量。通过拉伸试验测试待预测粘接结构胶条的剩余强度为T₁′、T₂′、…、T_n′。拟合曲线建立剩余强度T′与高速动车组运行公里数L之间的老化关系曲线T′＝Φ₂(L)。

将T＝Φ₁(Q)和T′＝Φ₂(L)联立，并使T＝T′，初步建立行驶里程L和交变气候测试条件下动态载荷谱循环次数Q之间的近似关系L＝Φ(Q)。

在获取了L＝Φ(Q)关系式后，可进行高速动车组粘接结构寿命的预测，如图14所示，具体步骤如下：

步骤一S110、获取高速动车组驶里程L；

步骤二S120、根据高速动车组驶里程L与试验粘接试件交变气候测试条件下动态载荷谱循环次数Q之间的关系L＝Φ(Q)，计算得到试验粘接试件交变气候测试条件下动态载荷谱循环次数Q；

步骤三S130、对试验粘接试件进行交变气候测试条件下动态载荷谱循环试验，循环次数为Q，然后进行拉伸试验，得到试验粘接试件的剩余强度T，所述试验粘接试件的剩余强度T即为高速动车组粘接结构的剩余强度。根据剩余强度T，能够预测并评估待预测粘接结构的老化失效行为，为高速动车组粘接结构的强度设计提供试验与理论上的支撑。

为了示范说明，选取哈尔滨至广州为高速动车组典型路线，本发明选取高速动车组中的平侧窗结构作为待预测粘接结构。车窗结构主要包括侧窗玻璃1、侧窗铝合金框架4两部分。车窗结构作为一个分总成部件，通过侧窗铝合金框架4与车体结构3之间的粘接胶层2完成装配，如图6、图7所示。

依照高速动车组运行过程中待预测粘接结构的主要受力状况，其中匀速前进及穿越隧道两种工况下侧窗受负压峰值为4000pa和6000pa，得到两种工况下侧窗工作载荷峰值为P_a＝4000pa、P_b＝6000pa。统计典型路线的运行环境，得到高速动车组停靠站数量为100次，穿越隧道数量为50次。根据停靠站数量、穿越隧道数量和匀速前进工况负压峰值、穿越隧道工况负压峰值绘制侧窗结构的载荷函数波形图，如图8所示。以100/50的最小公约数对载荷函数波形图编谱简化，由匀速前进工况与穿越隧道工况所占的比重为2:1绘制侧窗结构的动态载荷谱，如图9所示。

依照高速动车组运行过程中车窗结构的主要受力状况，对侧窗结构模型施加载荷；为了模拟高速动车组高速运行过程中，在车窗结构模型中部的玻璃单元上分别施加4000pa、6000pa的均布载荷。为了模拟车窗结构与车体结构粘接后可能存在的残余剪切作用力，在车窗的对角线方向施加一对方向相反的作用力，如图10所示，对两种工况胶层单元进行计算，得到匀速前进和穿越隧道两种工况下粘接结构胶层的最大工作应力为2Mpa、3Mpa。

设计矩形金属粘接试件，粘接角度为90°，试件粘接面积为25mm×25mm。根据匀速前进和穿越隧道两种工况下粘接结构胶层的最大工作应力为2Mpa、3Mpa。由公式P＝σ×A计算得出需要对粘接试件两端施加的试验载荷幅值P₁＝1250N,P₂＝1870N。依据侧窗结构的动态载荷谱与试验载荷幅值P₁、P₂绘制粘接试件的动态载荷谱，其中取P₁静载荷作用时间为20min，则P₂静载荷作用时间为10min，如图11所示。

依据PV 1200交变气候测试条件和动态载荷谱对粘接试件建立粘接试件温度循环-湿度循环-动态载荷循环耦合动态试验，其中的动态载荷循环Q选取10组循环。每组对动态载荷谱循环次数取100次、200次、300次、400次、500次、600次、700次、800次、900次、1000次；

粘接10组试件,定义每组粘接试件为R₁、R₂、…、R₁₀，每组包含10个粘接试件，通过辅助试验装置对粘接试件进行粘接。

按照交变气候测试条件与10组不同动态载荷谱循环次数对10组粘接试件进行温度循环-湿度循环-动态载荷循环耦合动态试验，试验完成后使用拉伸试验机对粘接试件进行拉伸试验，测得每个粘接试件在耦合动态试验后的剩余强度。试验结束后，排除个别无效的实验数据并取每组试验数据的平均值作为该动态载荷谱循环次数下的粘接试件剩余强度T。10组粘接试件对应的剩余强度分别为T₁＝6.2Mpa，T₂＝6.1Mpa，T₃＝5.8Mpa，T₄＝5.3Mpa，T₅＝5.0Mpa，T₆＝4.9Mpa，T₇＝4.7Mpa，T₈＝4.2Mpa，T₉＝3.6Mpa，T₁₀＝3.2Mpa。以动态载荷谱循环次数Q为自变量，剩余强度T为因变量，拟合曲线得到函数关系式T＝6.645-0.0032×Q，拟合曲线如图12所示。

提取高速动车组不同运行里程L的待预测粘接结构胶条，选取高速动车组运行2000、4000、6000、8000、10000、12000、14000、16000、18000、20000、公里时侧窗结构上的粘接胶条，通过拉伸试验测试胶条的剩余强度为T₁′＝6.0Mpa，T₂′＝5.8Mpa，T₃′＝5.3Mpa，T₄′＝5.0Mpa，T₅′＝4.6Mpa，T₆′＝4.4Mpa，T₇′＝4.1Mpa，T₈′＝3.9Mpa，T₉′＝3.6Mpa，T₁₀′＝3.5Mpa。拟合曲线建立待预测粘接结构胶条剩余强度T′与高速动车组运行公里数L之间的老化关系曲线T′＝6.305-1.514E(-4)×L，拟合曲线如图13所示。

通过将T＝6.645-0.0032×Q与T′＝6.305-1.514E(-4)×L之间的函数关系联立，使T＝T′，初步建立行驶里程L和在交变气候测试条件下动态载荷谱循环次数Q之间的近似关系L＝21.136×Q-2245.706。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种高速动车组的粘接结构寿命预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、获取动车组行驶全程停靠站数A、穿越隧道数B，以及待预测粘接结构胶层的最大工作应力σ_a和穿越隧道时待预测粘接结构胶层的最大工作应力σ_b；

步骤二、制作多组试验粘接试件，并对试验粘接试件进行温度循环湿度循环耦合试验，加载使试验粘接试件的胶层连续受到应力σ_a和应力σ_b作用的交变载荷，并且两个应力作用时间的比为A/B；其中，每组试验粘接试件进行不同的试验循环次数；

步骤三、对上述试验粘接试件分别进行拉伸试验，测量每组试验粘接试件的剩余强度，并根据每组试验粘接试件的循环次数，拟合出试验次数与试验粘接试件剩余强度之间的函数；

步骤四、选取高速动车组运行不同公里时待预测粘接结构上的粘接胶条，根据拉伸试验测试胶条的剩余强度，拟合曲线建立胶条剩余强度与高速动车组运行公里数之间的关系；

步骤五、令胶条的剩余强度等于粘接试件的剩余强度，得出高速动车组运行公里数和试验次数的函数关系；

步骤六、获取高速动车组行驶里程，根据高速动车组行驶里程与试验粘接试件交变气候测试条件下动态载荷谱循环次数之间的关系，计算得到试验粘接试件交变气候测试条件下动态载荷谱循环次数Q；

步骤七、对试验粘接试件进行交变气候测试条件下动态载荷谱循环试验，循环次数为Q，然后进行拉伸试验，得到试验粘接试件的剩余强度T，所述试验粘接试件的剩余强度T即为高速动车组粘接结构的剩余强度。

2.根据权利要求1所述的高速动车组的粘接结构寿命预测方法，其特征在于，步骤一中，待预测粘接结构胶层的最大工作应力σ_a和穿越隧道时待预测粘接结构胶层的最大工作应力σ_b通过理论分析获得。

3.根据权利要求2所述的高速动车组的粘接结构寿命预测方法，其特征在于，步骤二中，通过对试验粘接试件分别施加拉力P1＝σ_a×S、P2＝σ_b×S以使试验粘接试件胶层受到应力σ_a和应力σ_b作用，其中S为试验粘接试件胶层的面积。

4.根据权利要求3所述的高速动车组的粘接结构寿命预测方法，其特征在于，步骤三中，拟合试验次数与剩余强度之间的函数时采用一阶多项式拟合。

5.根据权利要求4所述的高速动车组的粘接结构寿命预测方法，其特征在于，步骤四中，拟合剩余强度与高速动车组运行公里数之间的函数时，采用一阶多项式拟合。