屏蔽門立柱頂部伸縮裝置的模態(tài)及強(qiáng)度有限元分析

蘇會(huì)強(qiáng) 應(yīng)寅瓊 王 彬

（寧波南車時(shí)代傳感技術(shù)有限公司 浙江 寧波 315021）

0 引言

地鐵屏蔽門系統(tǒng)是現(xiàn)代化地鐵工程的必備設(shè)施，它沿地鐵站臺(tái)邊緣設(shè)置，將列車與地鐵站臺(tái)候車室隔離，提供了更為安全舒適的乘車環(huán)境[1]。屏蔽門立柱頂部伸縮裝置是屏蔽門主要的承重結(jié)構(gòu)之一，應(yīng)能承受屏蔽門的垂直載荷以及列車行駛活塞風(fēng)和環(huán)控系統(tǒng)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓共同作用形成的正向、負(fù)向水平載荷壓力、乘客擠壓力和震動(dòng)等外界負(fù)荷[2]。

屏蔽門機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度將直接影響整個(gè)屏蔽門系統(tǒng)的平穩(wěn)、可靠運(yùn)行，而立柱頂部伸縮裝置是屏蔽門系統(tǒng)的重要組成部分，所謂立柱頂部伸縮裝置，是指地鐵屏蔽門系統(tǒng)中承力鋼架結(jié)構(gòu)中立柱頂部與土建頂部結(jié)構(gòu)梁預(yù)埋件連接結(jié)構(gòu)[3]。因此它的結(jié)構(gòu)是否合理將直接影響著整個(gè)屏蔽門系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，是保證屏蔽門系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。故針對(duì)立柱頂部伸縮裝置的模態(tài)及強(qiáng)度進(jìn)行分析，可以為立柱頂部伸縮裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析提供理論依據(jù)，有效的保證屏蔽門系統(tǒng)的安全性。

因此，應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件，建立了屏蔽門立柱頂部伸縮裝置的有限元模型，利用有限元法對(duì)屏蔽門立柱頂部伸縮裝置進(jìn)行了模態(tài)分析，求出了立柱頂部伸縮裝置的前6階固有頻率，并對(duì)相應(yīng)的振型進(jìn)行了分析。并分析了極限工況下屏蔽門立柱頂部伸縮裝置強(qiáng)度，得到了相應(yīng)的變形及應(yīng)力分布情況，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高了屏蔽門系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)的可靠性。

1 立柱頂部伸縮裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖1 屏蔽門立柱頂部伸縮裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

屏蔽門底部通過底座與站臺(tái)連接，頂部也通過頂部自動(dòng)伸縮連接結(jié)構(gòu)與站臺(tái)土建結(jié)構(gòu)連接，使得屏蔽門底部安全系數(shù)提高，減少底座疲勞，運(yùn)動(dòng)時(shí)振幅更小。頂部自動(dòng)伸縮裝置可以自動(dòng)調(diào)整門體與上方土建頂梁之間因地基沉降產(chǎn)生的位移，以適應(yīng)站臺(tái)土建結(jié)構(gòu)的變化，變化范圍為±30mm。伸縮裝置通過頂部連接板用高強(qiáng)度螺栓與站臺(tái)土建頂梁結(jié)構(gòu)連接，并將屏蔽門系統(tǒng)的部分橫向力傳到土建頂梁上，對(duì)屏蔽門系統(tǒng)起穩(wěn)定作用?？紤]的整體絕緣，故在套管與吊柱之間插入絕緣塊，使屏蔽門與土建頂梁結(jié)構(gòu)絕緣。頂部伸縮裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝、維護(hù)方便，制造成本低。頂部伸縮裝置如圖1所示。

2 有限元模型

利用有限元軟件ANSYS對(duì)立柱頂部伸縮裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，在不影響分析精度的情況下，對(duì)立柱頂部伸縮裝置模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，以提高計(jì)算速度，有限元分析簡(jiǎn)化模型如圖2a）所示。

圖2 立柱頂部伸縮裝置有限元分析的簡(jiǎn)化模型模型

如圖2b）所示，劃分模型網(wǎng)格時(shí)選取四面體10節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元solid45，采用自由網(wǎng)格劃分，整個(gè)模型共劃分為240088個(gè)單元，包含1037237個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3 邊界條件與載荷

根據(jù)實(shí)際情況在屏蔽門立柱頂部伸縮裝置有限元模型中施加的邊界條件主要為固定約束，即為L(zhǎng)型連接板與站臺(tái)的固定，但L型連接板豎直面與站臺(tái)地面直接接觸，所以在本文有限元分析中，簡(jiǎn)化了螺栓，直接模擬為對(duì)L型連接板豎直面添加固定約束，即它們?cè)趚、y、z方向的移動(dòng)以及各個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)都被約束。

圖3 屏蔽門立柱伸縮裝置加載情況

整個(gè)屏蔽門機(jī)械系統(tǒng)承受外載荷主要有風(fēng)壓、人群擠壓載荷、沖擊載荷和地震載荷等。而立柱頂部伸縮裝置作為主要的部件，在水平方向等主要有為站臺(tái)側(cè)乘客的擠壓力、風(fēng)壓及地震載荷在水平方向的分量。經(jīng)轉(zhuǎn)化計(jì)算后得，單個(gè)柱頂部伸縮裝置的受力情況為水平切向力為1400N。圖3為加載后立柱頂部伸縮裝置有限元模型。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 模態(tài)分析

對(duì)立柱頂部伸縮裝置的模態(tài)分析，可用于確定立柱頂部伸縮裝置結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性即固有頻率及振型，該特性是立柱頂部伸縮裝置承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)立柱頂部伸縮裝置的動(dòng)態(tài)特性做出評(píng)價(jià)，是分析立柱頂部伸縮裝置動(dòng)態(tài)特性的有效方法。

利用ANSYS-WORKBENCH平臺(tái)，利用Block Lanczos法對(duì)立柱頂部伸縮裝置進(jìn)行模態(tài)分析，取前6階進(jìn)行研究，其計(jì)算結(jié)果如表1所示，各階固有頻率所對(duì)應(yīng)的振型如圖4所示。

表1 立柱頂部伸縮裝置前6階模態(tài)有限元分析結(jié)果（單位Hz）

由表1可以看出屏蔽門立柱頂部伸縮裝置的前6階固有頻率集中在53.5Hz～551.3Hz之間，隨著階數(shù)增大，固有頻率值依次增大。屏蔽門立柱頂部伸縮裝置的一階振型為吊柱傾斜；二階振型為吊柱的彎曲變形；三階和四階振型主要為吊柱的傾斜并伴隨彎曲變形；五階和六階振型主要為吊柱一側(cè)的彎曲變形及套管的變形。由此可知，在頻率為339.6Hz和551.3Hz時(shí)，吊柱發(fā)生傾斜和旋轉(zhuǎn)變形，對(duì)連接板處的連接螺栓的危害較大。

圖4 立柱頂部伸縮裝置前6階固有頻率所對(duì)應(yīng)的振型

4.2 變形及應(yīng)力分析

采用上述屏蔽門立柱頂部伸縮裝置有限元模型、邊界條件及載荷，利用ANSYS軟件對(duì)立柱頂部伸縮裝置進(jìn)行有限元分析計(jì)算。圖5給出了立柱頂部伸縮裝置在上述工況載荷下的變形和等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

圖5 立柱頂部伸縮裝置有限元分析計(jì)算結(jié)果

從等效應(yīng)力分布云圖及結(jié)構(gòu)變形云圖上可以看出，應(yīng)力分布不均勻，大部分都應(yīng)力在20MPa以下，而大應(yīng)力集中在套管與站臺(tái)連接板接觸部位，最大值為71.5MPa。最大變形為0.35mm，位于上吊柱底部一側(cè)。

根據(jù)強(qiáng)度校核理論，碳鋼等塑性材料，通常以屈服的形式失效，宜采用第三和第四強(qiáng)度理論進(jìn)行校核。通過對(duì)屏蔽門立柱頂部伸縮裝置進(jìn)行靜態(tài)的有限元分析，立柱頂部伸縮裝置有足夠的強(qiáng)度和剛度，保證屏蔽門系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。材料Q235最大許用應(yīng)力[σ]=200MPa＞71.5 MPa

在剛度方面，參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003），該規(guī)范中規(guī)定了受彎構(gòu)件的撓度容許值=l/500，其中l(wèi)為兩支撐點(diǎn)的最小距離，這里取600mm。所以=l/500=600/500=1.2mm＞0.35mm。因此完全符合剛度要求。

5 結(jié)論

應(yīng)用ANSYS有限元軟件，建立了屏蔽門立柱頂部伸縮裝置的有限元模型，并進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，得到了屏蔽門立柱頂部伸縮裝置前6階固有頻率及振型，得到了極限工況下的變形及應(yīng)力分布情況并進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

5.1 根據(jù)實(shí)際情況，簡(jiǎn)化了立柱頂部伸縮裝置模型，建立了適于有限元分析計(jì)算且合理的屏蔽門立柱頂部伸縮裝置有限元模型，為以后屏蔽門立柱頂部伸縮裝置的設(shè)計(jì)分析工作提供基礎(chǔ)模型。

5.2 通過對(duì)立柱頂部伸縮裝置進(jìn)行模態(tài)響應(yīng)分析，得到了立柱頂部伸縮裝置前6階固有頻率及相應(yīng)的振型，直觀地分析了立柱頂部伸縮裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為以后的立柱頂部伸縮裝置的振動(dòng)特性控制提供理論基礎(chǔ)。

5.3 通過對(duì)立柱頂部伸縮裝置的有限元分析計(jì)算，得到了極限工況下立柱頂部伸縮裝置的變形云圖和等效應(yīng)力云圖，直觀地找到了最大變形及最大應(yīng)力位置，為以后的立柱頂部伸縮裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

5.4 根據(jù)立柱頂部伸縮裝置有限元分析結(jié)果，利用強(qiáng)度理論，對(duì)立柱頂部伸縮裝置進(jìn)行了強(qiáng)度校核，為以后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考。

［1］陳韶章.地下鐵道站臺(tái)屏蔽門系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2005：1-13.

［2］李毅.地鐵屏蔽門系統(tǒng)構(gòu)成分析[J].機(jī)電設(shè)備，2005，24（3）：32-35.

［3］王惠珍.地鐵屏蔽門立柱頂部伸縮裝置構(gòu)造[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2002，138（7）：71-72.