屏蔽門立柱頂部伸縮裝置的模態及強度有限元分析

蘇會強 應寅瓊 王 彬

（寧波南車時代傳感技術有限公司 浙江 寧波 315021）

0 引言

地鐵屏蔽門系統是現代化地鐵工程的必備設施，它沿地鐵站臺邊緣設置，將列車與地鐵站臺候車室隔離，提供了更為安全舒適的乘車環境[1]。屏蔽門立柱頂部伸縮裝置是屏蔽門主要的承重結構之一，應能承受屏蔽門的垂直載荷以及列車行駛活塞風和環控系統風機風壓共同作用形成的正向、負向水平載荷壓力、乘客擠壓力和震動等外界負荷[2]。

屏蔽門機械結構強度將直接影響整個屏蔽門系統的平穩、可靠運行，而立柱頂部伸縮裝置是屏蔽門系統的重要組成部分，所謂立柱頂部伸縮裝置，是指地鐵屏蔽門系統中承力鋼架結構中立柱頂部與土建頂部結構梁預埋件連接結構[3]。因此它的結構是否合理將直接影響著整個屏蔽門系統的平穩運行，是保證屏蔽門系統安全平穩運行的關鍵。故針對立柱頂部伸縮裝置的模態及強度進行分析，可以為立柱頂部伸縮裝置的結構優化及動態響應分析提供理論依據，有效的保證屏蔽門系統的安全性。

因此，應用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，利用有限元法對屏蔽門立柱頂部伸縮裝置進行了模態分析，求出了立柱頂部伸縮裝置的前6階固有頻率，并對相應的振型進行了分析。并分析了極限工況下屏蔽門立柱頂部伸縮裝置強度，得到了相應的變形及應力分布情況，根據分析結果對其結構進行優化，提高了屏蔽門系統機械系統的可靠性。

1 立柱頂部伸縮裝置機械結構

圖1 屏蔽門立柱頂部伸縮裝置機械結構

屏蔽門底部通過底座與站臺連接，頂部也通過頂部自動伸縮連接結構與站臺土建結構連接，使得屏蔽門底部安全系數提高，減少底座疲勞，運動時振幅更小。頂部自動伸縮裝置可以自動調整門體與上方土建頂梁之間因地基沉降產生的位移，以適應站臺土建結構的變化，變化范圍為±30mm。伸縮裝置通過頂部連接板用高強度螺栓與站臺土建頂梁結構連接，并將屏蔽門系統的部分橫向力傳到土建頂梁上，對屏蔽門系統起穩定作用。考慮的整體絕緣，故在套管與吊柱之間插入絕緣塊，使屏蔽門與土建頂梁結構絕緣。頂部伸縮裝置結構簡單，安裝、維護方便，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對立柱頂部伸縮裝置進行結構分析，在不影響分析精度的情況下，對立柱頂部伸縮裝置模型進行適當的簡化，以提高計算速度，有限元分析簡化模型如圖2a）所示。

圖2 立柱頂部伸縮裝置有限元分析的簡化模型模型

如圖2b）所示，劃分模型網格時選取四面體10節點實體單元solid45，采用自由網格劃分，整個模型共劃分為240088個單元，包含1037237個節點。

3 邊界條件與載荷

根據實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型連接板與站臺的固定，但L型連接板豎直面與站臺地面直接接觸，所以在本文有限元分析中，簡化了螺栓，直接模擬為對L型連接板豎直面添加固定約束，即它們在x、y、z方向的移動以及各個方向轉動都被約束。

圖3 屏蔽門立柱伸縮裝置加載情況

整個屏蔽門機械系統承受外載荷主要有風壓、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側乘客的擠壓力、風壓及地震載荷在水平方向的分量。經轉化計算后得，單個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 計算結果分析

4.1 模態分析

對立柱頂部伸縮裝置的模態分析，可用于確定立柱頂部伸縮裝置結構的振動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態載荷結構設計的重要參數，根據計算結果對立柱頂部伸縮裝置的動態特性做出評價，是分析立柱頂部伸縮裝置動態特性的有效方法。

利用ANSYS-WORKBENCH平臺，利用Block Lanczos法對立柱頂部伸縮裝置進行模態分析，取前6階進行研究，其計算結果如表1所示，各階固有頻率所對應的振型如圖4所示。

表1 立柱頂部伸縮裝置前6階模態有限元分析結果（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，吊柱發生傾斜和旋轉變形，對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階固有頻率所對應的振型

4.2 變形及應力分析

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軟件對立柱頂部伸縮裝置進行有限元分析計算。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力計算結果。

圖5 立柱頂部伸縮裝置有限元分析計算結果

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

根據強度校核理論，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度理論進行校核。通過對屏蔽門立柱頂部伸縮裝置進行靜態的有限元分析，立柱頂部伸縮裝置有足夠的強度和剛度，保證屏蔽門系統的平穩運行。材料Q235最大許用應力[σ]=200MPa＞71.5 MPa

在剛度方面，參照《鋼結構設計規范》（GB50017-2003），該規范中規定了受彎構件的撓度容許值=l/500，其中l為兩支撐點的最小距離，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 結論

應用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，并進行了有限元分析計算，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力分布情況并進行了分析，得出以下結論：

5.1 根據實際情況，簡化了立柱頂部伸縮裝置模型，建立了適于有限元分析計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計分析工作提供基礎模型。

5.2 通過對立柱頂部伸縮裝置進行模態響應分析，得到了立柱頂部伸縮裝置前6階固有頻率及相應的振型，直觀地分析了立柱頂部伸縮裝置的動態響應，為以后的立柱頂部伸縮裝置的振動特性控制提供理論基礎。

5.3 通過對立柱頂部伸縮裝置的有限元分析計算，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力云圖，直觀地找到了最大變形及最大應力位置，為以后的立柱頂部伸縮裝置優化設計提供理論依據。

5.4 根據立柱頂部伸縮裝置有限元分析結果，利用強度理論，對立柱頂部伸縮裝置進行了強度校核，為以后的結構設計和分析提供了基礎數據和參考。

［1］陳韶章.地下鐵道站臺屏蔽門系統[M].北京：科學出版社，2005：1-13.

［2］李毅.地鐵屏蔽門系統構成分析[J].機電設備，2005，24（3）：32-35.

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