某型动车组车头部玻璃钢底板会有哪些常见故障呢？是否还有优化方案？

为保证动车组车底整体结构平顺化和设备舱的密封性，需将车头部下方凹陷处进行密封，为减小质量，密封板一般采用玻璃钢材 质，四周通过16 个M10 × 40 螺栓进行紧固，如图1所示。

动车组运行20 万 km 左右时，检查发现多处螺栓安装孔周圈存在裂纹。

该玻璃钢底板尺寸为 1 268 mm × 925 mm × 6mm，质量为 16． 56 kg; 由于该底板尺寸较大，在中部黏接截面为 6 mm × 20 mm 的网状玻璃钢加强筋，保证结构整体刚度;

四周设16个12 mm螺栓孔，提高安全冗余，玻璃钢底板螺栓安装孔处预埋40mm× 40mm × 2mm 的不锈钢垫板，增强连接部位受压能力，具体结构如图2所示。

1 玻璃钢底板故障原因调查

1． 1 故障部位调查

通过对此结构裂纹的玻璃钢底板进行调查发现，裂纹位置全部位于螺栓紧固处，对裂纹形态进行分析，裂纹源位于不锈钢垫板与玻璃钢黏接处。

1． 2 故障部位螺栓孔处制造工艺分析

( 1) 制作 6 mm 厚的整体玻璃钢底板，脱模后开孔定位，然后将孔周边的不锈钢垫板预埋区域打磨去除 4 mm，剩余厚度为2mm，如图3所示。

( 2) 放入不锈钢垫板，与玻璃钢底板上的开孔对齐，然后用黏接剂黏接为一体，如图4 所示。
( 3) 上 表 面 采 用 两 层 EMC450 短 切 毡 糊 制 补强，固化后开孔并打磨平整，如图5 所示。

对现场施工进行调查，不锈钢垫板预埋生产工艺要求较高，为确保不锈钢垫板四周区域纤维连续，需要满足以下要求:

( 1) 玻璃钢底板与不锈钢垫板贴合处需打磨平整，平面度要求较高;
( 2) 不锈钢垫板表面平整度要求高，不允许存在边缘不齐、锐角棱边等现象;
( 3) 要求不锈钢垫板周圈糊制均匀，纤维连续。

1． 3 仿真分析

对上述玻璃钢底板使用 HyperWorks 有限元软件进行仿真分析，载荷工况分为底板自重 + 2 500
Pa 气动载荷、底板自重 － 2 500 Pa 气动载荷两种工况。

仿真结果表明: 垫板四周区域纤维不连续，存在树脂聚集薄弱区，该区域存在应力集中现象，如图 6所示。

1． 4 地面故障再现试验
模拟现车工况的气动载荷 ( 气动载荷 ± 2 500Pa，150 万次) ，对无故障的玻璃钢底板进行了疲劳试验。

试验进行至 40 万次时，检查发现底板 4 处螺栓安装孔位置出现裂纹，裂纹起始位置与故障件开裂位置及仿真分析中应力集中位置一致，均位于不锈钢垫板与玻璃钢结合处。

根据仿真计算、地面试验等分析玻璃钢底板裂纹的原因为：不锈钢垫板预埋施工工艺存在缺陷，四周存在应力集中;

施工制造过程中，预埋垫板四周存在边缘不齐、锐角棱边等制造缺陷，加剧应力集中效果；在气动载荷冲击作用下，应力集中处产生裂纹直至发展断裂。

2 玻璃钢底板结构优化设计

将预埋不锈钢垫板改为预埋不锈钢衬套，改善施工工艺，降低施工难度，衬套安装无须打磨玻璃钢底板，消除螺栓安装孔周边纤维不连续问题，避免制造缺陷。

2.1提升整体刚度

进一步优化玻璃钢底板结构，提高底板整体刚度，降低气动载荷对玻璃钢底板变形量。

( 1) 玻璃钢底板与 车 体 骨 架 连 接 区 域 厚 度 由 6 mm 增 至 8mm;
( 2) 中部加强筋由矩形( 截面 6 mm × 20 mm) 网状玻璃钢加强筋结构改为梯形 ( 截面 50 mm × 30mm × 10 mm) 网状加强泡沫芯材结构( 见图 7) 。

2.2降低应力集中

在玻璃钢底板螺栓安装孔四周增加通长 U 型不锈钢梁，增加螺栓安装受力面积，通过 U 型梁对螺栓紧固力的再分配，消除应力集中，降低螺栓安装孔处所受应力，如图 8 所示。

2.3 仿真分析

对优化后玻璃钢底板采用 HyperWorks 有限元软件进行仿真分析，载荷工况分为底板自重 + 2 500Pa 气动载荷、底板自重 － 2 500 Pa 气动载荷两种工况。

仿真结果表明: 由于玻璃钢底板刚度增加、U 型梁对螺栓紧固力进行了再分配，螺栓孔衬套周边应力大幅降低，可靠性进一步提高，如图 9 所示。

2.4实施效果

优化方案装车后，运行里程已超过 120 万 km，目视检查底板及不锈钢衬套周边未发现裂纹。对比原结构在运行 20 万 km 左右即发生问题，结构可靠性显著提升。

3 结论
本文对玻璃钢底板故障进行了分析，指出了造成裂纹的根本原因，从设计结构、降低应力集中、提升整体刚度等方面进行了优化设计，并经过强度仿真分析、地面疲劳强度试验及现车验证，验证了新结构的底板在疲劳强度和应力集中方面有显著改善，解决了玻璃钢底板裂纹故障的隐患，保证了列车的运行安全、可靠。