高速列车设备舱橡胶密封条密封性能分析

高月华，兆文忠，陈秉智

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)

0 引言

为了减少高速列车运行中的空气阻力和加强对车下悬挂装置的保护，高速列车车下新增了设备舱结构.设备舱属于非承载结构形式，其主要构件为裙板、裙板支架、设备吊装框架、T型槽和底板，各构件间的连接大都通过螺栓固定.每个设备舱之间相对独立，两个相邻的设备舱之间存在空隙.如遇雨雪天气，由该空隙进入雨雪，将会使设备舱内环境恶化，甚至会影响列车的正常运行.为尽量避免设备舱内进入雨雪，在各设备舱的空隙间增加橡胶密封条，以增强高速列车在运行过程中设备舱的密封性.

本文以具有代表性的两个相邻的设备舱模块为分析对象，考虑橡胶材料的超弹特性、几何大变形，以及接触非线性，采用子模型技术建模，应用ANSYS分析软件对橡胶密封条进行密封性能分析.首先建立两个设备舱的有限元模型，考虑气动载荷对其进行分析以得到两个设备舱裙板的相对变形;随后建立橡胶密封条子模型，考虑安装工况对橡胶密封条进行分析得到其初始变形;最后在初始变形的基础上，提取设备舱裙板的相对变形值，对橡胶密封条进行密封性能分析.

1 基本理论及相关技术

1.1 橡胶材料超弹特性

橡胶是一种各项同性、可高度变形、高弹性和压缩性较小的材料，它不仅具有类似于金属材料的弹性性质，而且具有类似于粘性液体吸收能量的性质［1］.基于橡胶各向同性和体积近似不可压缩的假设，用一个统一的物理量对橡胶进行表征具有重要意义，该物理量为应变能密度函数.应变能密度函数是一个应变或形变张量的标量函数，可表示为应变不变量或主拉伸率的函数:

式中，I1，I2，I3为应变张量的三个不变量;λ1，λ2，λ3为主拉伸率.由于简单和实用，应用最为广泛的应变能函数首选Mooney-Rivilin模型［2-3］.一般橡胶弹性体应变能密度函数可表示为两参数的Mooney-Rivilin 模型［4］:

式中，C10，C01为橡胶类材料常数.

1.2 大变形分析理论

大应变(或大变形)发生时单元的形状和取向都将改变，导致刚度改变.因为刚度受位移影响，因此在大应变分析中需要迭代求解来得到正确的位移.在大应变求解中，应力、应变输入和结果将依据真实应力和真实应变.ANSYS非线性静态分析是将载荷分解成一系列增量的载荷步，并且在每一载荷步内进行一系列线性逼近以达到平衡.ANSYS软件使用基于Newton-Raphson法的迭代过程，用一系列线性近似值逐渐收敛于实际上的非线性解.Newton-Raphson方程为

式中，［K］i－1为第(i－1)次迭代的变形形状得到的切向刚度矩阵;{Δu}i为位移向量增量，{Δu}i={u}i－ {u}i－1，其中 {u}i为当前迭代的位移向量;{FA}为外载荷向量;{FNR}i－1为第(i－1)次迭代位移的Newton-Raphson存贮载荷.每个子步载荷的划分和最大平衡迭代数均可控制，平衡迭代进行到收敛或达到最大迭代次数限制为止.

1.3 接触非线性

接触问题是一种高度非线性行为，当表面发生接触时，在接触表面之间一般传递切向力和法向力.对于法向作用，接触压力和间隙的默认关系是硬接触，其含义为接触面之间能够传递的接触压力的大小不受限制.当接触压力变为零或负值时，两个接触面分离，并且去掉相应节点上的接触约束.对于切向作用，库仑摩擦常用来描述接触面之间相互作用的摩擦模型.该模型应用摩擦系数μ来表征两个表面之间的摩擦行为.在表面拽力达到一个临界剪应力之前，切向运动一直保持为零.临界剪应力取决于法向接触压力:

式中，μ为摩擦系数;P为两接触面之间的接触压力.直到接触之间的剪应力等于极限摩擦剪应力τcrit时，接触面之间才会发生相对滑动.

1.4 子模型技术

子模型技术是得到模型部分区域更加精确解的有限单元技术.子模型是从整体模型中截取出来的一部分，子模型的边界即为子模型在整体模型中的截断位置，因此子模型应保持与整体模型的相对位置一致.首先将子模型的边界节点输出到整体模型中，提取整体模型对应位置的位移值，并将其输出至子模型，作为子模型的边界节点位移.

子模型方法基于圣维南原理，即如果实际分布载荷被等效载荷代替以后，应力和应变只在载荷施加的位置附近有改变.这说明只有在载荷集中位置才有应力集中效应，如果子模型的位置远离应力集中位置，则子模型内就可以得到较精确的结果.

2 设备舱结构数值分析

分析对象为高速列车的两个典型的设备舱模块.考虑结构的对称性，采用1/2模型进行分析，有限元模型如图1所示.该有限元模型中不考虑橡胶结构，该分析的目的是为橡胶非线性接触分析提供子模型的边界条件.设备舱主要材料为钢和铝，其材料属性见表1.本文主要考虑气动载荷下密封条的密封性能，载荷工况见表2.图2和图3分别给出了设备舱在两个工况下的变形图.由两图可以看出两个设备舱的裙板间有较明显的相对位移.

图1 设备舱有限元分析模型

图2 工况1下设备舱的变形

图3 工况2下设备舱的变形

表1 材料的物理属性

表2 载荷工况 Pa

3 裙板密封条非线性接触分析

3.1 裙板密封条子模型及接触对

依据子模型选取的一般规则，选取裙板密封条子模型进行分析计算.裙板间的密封条如4所示，q其结构为一截面为环形的密封条，在安装过程中两橡胶条挤压在一起起到密封作用.密封条材料为橡胶，采用模型为Mooney-Rivlin二参数模型，其参数分别为 1.84e3 kPa 和 0.47e3 kPa，其泊松比为0.47.在设备舱裙板受载荷变形时，密封条之间发生了面－面接触.裙板子模型共定义了4个接触对(如图5).

图4 裙板密封条子模型

图5 子模型接触对定义

3.2 边界位移及载荷

考虑实际情况，首先分析安装载荷下橡胶密封条的变形.分析安装载荷下橡胶密封条挤压状态时仅施加安装位移载荷，而分析气动载荷下裙板密封条变形状态时，子模型的边界是提取设备舱模型的分析结果而来.具体工况见表3.

表3 裙板橡胶密封条子模型载荷工况

3.3 分析结果

裙板密封条在安装工况下的变形图如图6所示，安装后，相邻两裙板的密封条挤压发生大变形，且接触面积较大.气动载荷下裙板密封条分析结果如图7和图8所示，与安装工况下的变形(图6)相比，两密封条变形不再对称，这是由于裙板厚度方向上的位移变化导致了两密封条在该方向上有相对位移趋势，而由于摩擦的存在，使之很难产生相对位移，从而使两密封条产生不同变形.由图7和图8可以看出，裙板密封条在气动载荷工况下密封性能良好.

图6 工况1下裙板密封条变形

图7 工况2下裙板密封条变形

4 结论

针对高速列车设备舱密封性的需求，本文以具有代表性的两个设备舱为分析对象，考虑裙板安装工况和气动载荷工况，采用子模型技术对设备舱裙板橡胶密封条进行了密封性能的分析.结论如下:

(1)安装工况下，橡胶密封条受到挤压，变形较大，且接触面积较大，密封非常好;

(2)气动载荷工况下，裙板橡胶密封条有相对变形的趋势，在接触面上没有产生滑动，仍保持较大的接触面积，密封良好.

［1］广廷洪，汪德涛.密封件使用手册［M］.北京:机械工业出版社，1994.

［2］李晓芳，杨晓翔.橡胶材料的超弹性本构模型［J］.弹性体，2005，15(1):50-58.

［3］张振秀，聂军，沈梅，等.ANSYS中超弹性模型及其在橡胶工程中的应用［J］.橡塑技术与装备，2005，31(9):1-5.

［4］吕和祥.橡皮环大变形接触问题［J］.应用数学和力学，1986，7(3):39-248.