基于ABAQUS的高速车塞拉门周边胶条脱出问题分析及改进

刘欣，张旭良，谭庭亮

（南京康尼机电股份有限公司，江苏 南京 210000）

1 概述

当前高速列车外门系统主要采用塞拉门结构，车门的密封性能直接影响列乘客的舒适性。车门的密封主要依靠门扇上的胶条来实现。高速列车塞拉门在运用过程中出现多起周边胶条脱出门扇安装槽的问题，如图1所示，严重影响车门性能。本文针对塞拉门周边胶条脱出门扇问题，分析问题成因，制定改进方案并进行改进效果验证。

图1 周边胶条脱出门扇

2 周边胶条安装结构

周边胶条安装在门扇最外层，为唇边结构。关门后周边胶条与门框搭接，用于门扇周圈的防尘作用，并具有一定的防水密封效果，如图2所示门扇上设置有燕尾式的安装槽，胶条装配时根部卡入安装槽内，并依靠自身弹性固定在门扇上。

图2 门扇周边胶条安装示意

根据现场检查，脱出门扇的周边胶条均位于门扇侧面，未发现有刮蹭损伤痕迹，也可以排除人为拉拽原因。初步分析是由于胶条安装至门扇后连接力不足，列车高速运行时胶条被风吹起，进而被拉扯脱出安装槽。

3 胶条脱出过程仿真分析

塞拉门周边胶条材料选用三元乙丙橡胶。三元乙丙具有优异的耐腐蚀、抗撕裂及抗老化性能，满足高速车塞拉门系统对于高密封性能、高强度及低温运用环境的要求。

3.1 橡胶本构模型建立

对于橡胶而言，其应力应变关系需使用应变能密度函数来描述，应变能密度函数本构模型的选取需要根据材料及模型的变形情况来综合考虑。

因三元乙丙的泊松比大致在0.47左右，而具有不可压缩性的特点，对于橡胶的分析模型主要有Neo-Hookean模型、Mooney-Rivlin模型及Ogden模型等。对于小变形的橡胶而言Mooney-Rivlin更能反应橡胶的变形特点。故本文借助ABAQUS软件对此周边胶条进行研究分析，找到胶条与门扇连接的薄弱点。

通过Mooney-Rivlin 2参数来表征该三元乙丙胶条的力学性能，其函数表达为：

式中，W变势能，C01、C10为Mooney-Rivlin常数，I1、I2为第一、第二应变张量不变量。

应变势能W与σ（应力）、ε（应变）关系如下：

高速车塞拉门周边胶条选用的三元乙丙橡胶硬度HA=60-70HR、弹性模量E0=8.7MPa、密度ρ=0.87(g/mm3)、泊松比ν=0.47。故得到相应C01=1.5716MPa、CD=5.6947MPa。

3.2 有限元模型的建立

根据图3所示胶条安装示意图将胶条安装槽视为刚体，且将胶条受力情况简化为二维模型。

图3 模型简化示意图

3.3 仿真结果

根据以上的数据在ABAQUS中得到的结果如图4。

图4 仿真分析云图

通过miss云图及位移云图可知胶条在受力后，根部远离唇边一侧率先产生变形并脱出胶条安装槽，随后胶条根部会完全脱离胶条安装槽，造成前文所述脱出门扇的异常状况。

4 改进方案及对比验证

4.1 改进方案

根据仿真分析可知胶条在受到风载作用脱出门扇的过程中，根部远离唇边一侧首先脱离安装槽，分析此处是胶条安装结构的薄弱点。据此提出改进方案：胶条根部装入门扇后，在其根部与门扇之间区域增加粘接胶，见图5。

图5 胶条根部增加打胶要求

4.2 试验策划

策划对比试验用于验证改进效果。

（1）试验样块。从门扇型材和周边胶条上取样，分别按照改进前、后方案制作试验样块，如图6所示。设计夹板使胶条尽可能整体受力，避免载荷集中在一点上。

图6 试验样块示意

（2）试验方法。将样块的型材部分装夹在拉伸试验机上，利用胶条上安装的螺钉施加向上的拉拔力，模拟胶条所受到的风载。

（3）评价标准。记录胶条脱出型材或者自身破坏时刻的拉力值，若改进方案样块所能承受的拉伸力更大，则说明改进方案有效。

4.3 验证结论

（1）改进前方案。胶条被拉拔后根部完全脱出型材安装槽，最大拉伸力约267N，如图7所示。

图7 改进前方案试验结果

（2）改进后方案。胶条被拉拔至唇边处完全断裂，最大拉伸力约1540N，但胶条根部并未脱出型材，检查胶条与型材粘接面完好，无裂缝，如图所示8所示。

图8 改进后方案试验结果

（3）结论。由试验对比可知，在胶条根部位置增加打胶粘接可以大大提升胶条安装后抵抗脱出的能力，有效解决塞拉门现车运用问题。

对实施优化后的塞拉门运用情况进行跟踪，从2018年10月至今未再次出现同类问题，说明改进方案切实有效。

5 结语

本文从高速列车塞拉门运用过程中的实际问题出发，通过对胶条安装结构的分析和有限元仿真，找出了胶条与安装槽连接的薄弱点。然后制定了打胶粘接的改进方案对薄弱位置进行补强。设计和制作试验样块，并通过对比试验证明了改进方案的有效性。将有限元分析工具与试验对比相结合是开展设计优化、解决工程技术问题的有效途径，具有很好的指导意义。